История электротехники
Шрифт:
4.10. РАСЧЕТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕЙ
Этот раздел ТЭ развивался по мере создания собственной промышленной базы в СССР, поскольку в XIX в. расчетам полей были посвящены лишь единичные работы, например, Н.А. Булгакова в 1897 г. «О распределении заряда на поверхности проводников». В специализированном журнале «Вестник теоретической и экспериментальной электротехники» ряд расчетов полей опубликовали в 1928 г. И.С. Брук (расчеты ЭМП в асинхронной машине), в 1932 г. Л.И. Балабуха (расчеты электростатических полей) и др. Интересные исследования провел Л.Р. Нейман по распределению токов в биметаллических проводах (1932 г.) и магнитных полей в циклотроне. В дальнейшем расчетным методам и конкретным расчетам уделяется большое внимание в специальных монографиях, в учебной и журнальной литературе. Для развития инженерных методов расчета полей существенную роль сыграли большое число журнальных публикаций по уравнениям математической физики, а также методам приближенных решений таких уравнений С. Л. Соболева, А.Н. Тихонова, А.А. Самарского, А.Н. Крылова и книги М.А. Лаврентьева «Конформные отображения», К.М. Поливанова «Электростатика», Л.Р. Неймана «Поверхностный эффект в ферромагнетиках», Г.А. Гринберга «Избранные вопросы теории электрических
В развитии теории и методов ЭМП существенную роль играют введенные еще Д.К. Максвеллом электрический и магнитный потенциалы, позволяющие сократить количество полевых уравнений. В этой связи значительным продвижением в теоретическом отношении было введение в практику расчетов стационарных и квазистационарных магнитных полей метода, основанного на приведении вихревых магнитных полей к квазипотенциальным, в котором система уравнений сводится к одному скалярному уравнению. Этот подход, предложенный и разработанный для расчета и моделирования магнитных полей (К.С. Демирчян, В.М. Грешняков, В.Л. Чечурин, В.Н. Воронин) на кафедре ТОЭ Ленинградского политехнического института в 60-х и начале 70-х годов, впоследствии нашел широкое применение в практике расчетов трехмерных квазистационарных магнитных полей. Попытки создать высоковольтные электрические машины (К.Д. Биннс, П.Д. Лавренсон, А.В. Иванов-Смоленский, В.А. Кузнецов), конструкции высоковольтной техники (Н.Н. Миролюбов, М.В. Костенко, М.Л. Левинштейн, Н.Н. Тиходеев, Е.С. Колечицкий и др.), сверхпроводящие магнитных систем (К.С. Демирчян, Я.Б. Данилевич, Ю.В. Ракитский, В.Л. Чечурин и др.) потребовали повышенного внимания к расчетам статических электрических и магнитных полей. Повышение точности вычисления максимальных значений напряженности электрических полей и магнитной индукции стало необходимым условием разработки новых методов. Значительные работы были выполнены по расчету ЭМП и электродинамических сил в токонесущих конструкциях (О.В. Тозони, Э.А. Меерович, И.Ф. Кузнецов, В.Л. Чечурин, К.М. Чальян, Е.Л. Львов, Г.Н. Цицикян и др.), в электрических машинах и трансформаторах (Я.Б. Данилевич, Ф.Г. Рутберг, В.Л. Чечурин, Э.А. Кашарский, А.В. Иванов-Смоленский, В.Н. Боронин, В.А. Казанский, А.И. Инкин и др.), в устройствах с движущейся плазмой и дуговых электрических печах (М.Ф. Жуков, Ф.Г. Рутберг, Э.А. Меерович, В.И. Пищиков и др.), в электрофизических установках термоядерного синтеза (В.А. Глухих, В.М. Юринов, ГА. Шнеерсон, А.Б. Новгородцев и др.). Решения многих задач, связанных с расчетами нестационарных ЭМП в электрофизических установках, приведены в книге Г/А. Шнеерсона «Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов». Важным направлением стало решение комплексных задач электродинамики, где расчет токов и напряжений в электрической цепи требовал одновременного расчета и ЭМП. Такие задачи, носящие комплексный характер, были решены Л.Р. Нейманом (поверхностный эффект в ферромагнитных средах), В.М. Юриновым (электрические цепи, содержащие элементы с движущимися телами), ГА. Шнеерсоном (электрические цепи, содержащие элементы с движущимися средами) и др.
Помимо развития аналитических методов расчета ЭМП, возможности которых отставали от практических требований, в 50–60 годы широкое распространение получили аналоговые, сеточные и физические методы моделирования и исследования ЭМП. В этой области следует отметить работы А.И. Гантмахера, И.М. Тетельбаума, В.Д. Карплюса, К.С. Демирчяна, К.Х. Табакса, В.Н. Воронина, В.В. Попова и др.
В практике генерации, преобразования и передачи электрической энергии важное место заняли проблемы понижения потерь, возникающих за счет вихревых токов. Расчет и моделирование эквивалентных R- и L-параметров электрических цепей и измерение потерь от протекания вихревых токов связаны с именами Л.Р. Неймана, И.Ф. Кузнецова, Э.А. Мееровича, О.В. Тозони, Х.В. Двайта, П.Л. Калантарова, Л.А. Цейтлина и др. Развитие методов расчета ЭМП привело к широкому внедрению в практику электрических методов геологической разведки с применением импульсных генераторов тока, в частности на основе МГД-источников (Е.П. Велихов), индукционного нагрева (В.П. Вологдин), дуговой и электронной сварки (школа Е.О. и Б.Е. Патонов), дуговой плавки металлов (Э.А. Меерович), дефектоскопии (В.Г Герасимов).
На заре зарождения ТЭ исследования ЭМП производились без разделения методов по частотному критерию. Однако специфические задачи генерации, передачи и приема энергии высокочастотных ЭМП потребовали разработки собственных методов расчета. Так родилась новая область техники — радиотехника, в которой основное внимание уделялось не столько эффективности использования энергии ЭМП, сколько возможности передачи сигналов. Однако в последние годы в связи с развитием высокочастотной техники и возможности при ее помощи передавать на землю солнечную энергию, преобразованную в высокочастотное излучение на орбитальных или лунных электрических станциях, разделение электротехники и радиотехники становится весьма условным. В этой связи показательны исследования передачи энергии ЭМП при помощи волноводов (А.Н. Диденко). Фактически в таких системах передача состоит из одного проводника — волновода, внутри которого сосредоточена передаваемая энергия ЭМП.
Напомним, что для создания аналогичной ситуации с передачей энергии ЭМП постоянного тока или переменного тока промышленной частоты в простейшем случае кабельной линии электропередачи необходимы два провода (внутренний и внешний в виде полого цилиндра) для ограничения распределения ЭМП только в пространстве между ними. В волноводных ЛЭП со всей остротой встает привычная для ТЭ проблема повышения КПД таких систем.
4.11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕЩЕСТВЕННЫХ СРЕДАХ
Расчеты ЭМП потребовали более точного описания свойств среды. Потребовалось привлечение и освоение разделов физики диэлектриков, металлов, полупроводящих материалов и ферромагнетизма. Проблема промышленного изготовления изоляторов и изолирующих материалов, а также их применения привела к необходимости не только постановки исследований в области технологии, но и к разработке теории физических процессов в диэлектриках. Серии обширных работ по теории электрического пробоя и свойствам диэлектриков были проведены в ВЭИ (П.А. Флоренский), в созданном почти одновременно с ВЭИ Ленинградском физико-техническом институте, руководимым А.Ф. Иоффе (В.А. Фок, Н.Н. Семенов), и организованном Г.М. Кржижановским в 1930 г. Энергетическом институте (B.C. Комельков, Ю.Н. Вершинин). Исследовались природа потерь в диэлектриках (А.П. Александров, И.В. Курчатов, Я.И. Френкель
Исключительное место в практических приложениях заняли полупроводники. Особые свойства полупроводников, заключающиеся в зависимости электрического сопротивления контактного слоя между металлами и некоторыми полупроводниками от направления тока, температуры, освещения и электрического поля, созданного другим электродом (транзисторы и тиристоры), привели к созданию многих новых отраслей науки и техники. Вся современная дискретная и вычислительная техника в основе своей имеет дело с полупроводниковыми приборами различного размера и степени интеграции в одном кристалле. В энергетических отраслях важное место занимает свойство полупроводников преобразовывать тепловую и солнечную энергию непосредственно в электрическую.
На основе использования мощных полупроводниковых приборов (тиристоров) стало возможным преобразовывать переменный ток в постоянный и управлять этим процессом. Эта возможность широко используется в многочисленных промышленных установках преобразования частоты в технологических целях и для передачи энергии постоянным током, при освоении которой в СССР были достигнуты выдающиеся результаты.
В ТЭ особое место занимают устройства с ферромагнитными сердечниками, и по этой причине исследование ферромагнитных свойств материалов занимает большое место в научных разработках. Непосредственное отношение к ТЭ имеют исследования, связанные с теорией поведения ферромагнитных тел в ЭМП и теорией электрических цепей, содержащих индуктивные катушки с ферромагнитными сердечниками. Выдающаяся роль в этой области принадлежит В.К. Аркадьеву. Он еще в 1913 г. произвел важные исследования железа и никеля в области сверхвысоких частот и наблюдал исчезновение ферромагнитных свойств при электромагнитных волнах длиной 1 и 3 см. В дальнейших своих исследованиях В.К. Аркадьев показал возможность существования релаксационных и резонансных явлений в ферромагнетиках. Эти исследования применительно к современным задачам электротехники, радиотехники и элементов магнитной памяти в вычислительной технике продолжались К.М. Поливановым и его научной школой на кафедре ТОЭ в МЭИ.
Следует заметить, что вопросам поведения ферромагнетиков в электротехнических устройствах посвящено много исследований именно на кафедрах теоретических основ электротехники. Помимо кафедры ТОЭ в Московском энергетическом институте такие работы проводились на кафедре ТОЭ Ленинградского политехнического института под руководством Л.Р. Неймана (проникновение ЭМП в среды с ферромагнитными свойствами), П.Л. Калантарова (открытие и исследование феррорезонансных явлений в электрических цепях).
С начала 60-х годов явление сверхпроводимости, открытое в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннесом, нашло техническое применение в области создания сверхпроводящих электрических машин и трансформаторов, кабельных линий передач энергии, индуктивных накопителей энергии, магнитной сепарации и томографии. Перспективы уменьшения габаритов этих устройств и потерь энергии в них стимулировали проведение научных исследований. В этой связи с точки зрения ТЭ важной стала проблема описания электрических свойств сверхпроводящих материалов и токоведущих частей этих устройств. Особенность существования магнитного поля в сверхпроводнике, а также тепловая неустойчивость таких систем весьма остро поставили задачу введения в систему уравнений Д.К. Максвелла их вещественных характеристик. Успешному решению этой задачи способствовали успехи отечественной школы физики в области феноменологической теории сверхпроводимости (Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, Л.П. Горькое, А.А. Абрикосов). Большую роль в создании технических устройств сыграли работы В.Б. Зенкевича по методам расчета электрических параметров композитных сверхпроводников с учетом реальных особенностей конструкции; В.А. Альтова, В.В. Сычева по термостабилизации и опыт создания сверхпроводящих катушек для термоядерных устройств, выполненных в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством Н.А. Черноплекова.
4.12. ДИНАМИКА СВОБОДНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ТЕЛ В ЭМП
Длительный период исследования взаимодействия заряженных частиц и ЭМП носили академический характер и представляли интерес только с точки зрения дополнительного развития теории ЭМП. Однако для ТЭ даже эти разработки имели большое значение. Характерна в этом отношении наиболее простая задача определения ЭМП движущегося электрона. В 1888 г. О. Хевисайд решил эту задачу без введения ограничения на скорость движения электрона (в отличие от Д.Д. Томсона). В этой работе, намного опередившей работы Г. Лоренца, показана зависимость энергии ЭМП движущегося заряда от скорости и изменения картины распределения напряженности электрического поля электрона в пространстве. Если скорость движения электрона составляет 0,99 от скорости света, то напряженность поля по окружности меридионального разреза некоторой сферы оказывается в 100 раз больше таковой на сфере по линии движения электрона. При скорости движения v, равной скорости света с, все поле собирается в плоскости, перпендикулярной линии движения, на которой находится электрон (меридиональная плоскость), «образуя плоскую электромагнитную волну». В этой же работе О. Хевисайд вычислил полную энергию заряда в предположении конечного значения радиуса электрона и показал, что энергии электрического и магнитного полей растут пропорционально величине 1/(1 — v2/с2)0,5, позже связанной с именем Г. Лоренца. Прикладные задачи, возникшие в связи с созданием ускорителей заряженных частиц, электронных приборов, различных технологических установок с использованием возможности управления движением материальных тел при помощи ЭМП привели к разработке методов расчета сил и траекторий движения заряженных тел в ЭМП. Появились также монографии и учебные пособия, посвященные именно этому разделу ТЭ. Среди них следует отметить монографии К.М. Поливанов «Электродинамика движущихся тел», Э.А. Мееровича «Методы релятивистской электродинамики и электротехники», Г.Я. Сермонса «Динамика твердых тел в электромагнитном поле», в которых изложены основные методические подходы к прикладным проблемам взаимодействия заряженных тел и ЭМП.