Технология конструкционных электротехнических материалов

 

 

Таблица 8.2 - Значения критических параметров сверхпроводников

Вещество	Критическая  температура ТК, К	Критическое поле Н0,Э
	Сверхпроводники 1-го рода
Свинец	7,2	800
Тантал	4,5	830
Олово	3,7	310
Алюминий	1,2	100
Цинк	0,88	53
Вольфрам	0,01	1.0
Ниобий	9,25	4000
Сплав НТ-50
(Ni-Ti-Zr)	9,7	100000
Сплав Ni-Ti	9,8	100000
V3Ga	14,5	350000
Nb3Sn	18,0	250000
	Сверхпроводники 2-го рода
PbMo4S8	~	600000
Nb3Ge	23	±
GeTe*	0,17	-
SrTiO3	0,2-0,4	130

 

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновскою отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологически ми трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово Sn из бронзы диффундирует в ниобий Nb, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми [2, С.74]. Применение сверхпроводников в различных областях науки техники. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5 – 7 раз их масса и габариты при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Значительное внимание в разных странах уделяют разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью

[2, С.75].

 

 

9 Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС). Примечание комплексных чисел для расчета электрических цепей.  Представление синусоидальных э.д.с., напряжений и токов

комплексными  числами

 

При изображении вращающихся векторов синусоидальных э.д.с, напряжения и тока на комплексной плоскости ось абсцисс плоскости декартовых координат совмещают с осью действительных или вещественных величин (ось + 1) комплексной плоскости. Тогда мгновенные значения синусоидальных величин получают на оси мнимых величин (ось+j) [18].

Как известно, каждому вектору на комплексной плоскости соответствует определенное комплексное число, которое может быть записано в показательной, тригонометрической или алгебраической форме. Например, э.д.с. Emsm (cot + ц/с) изображенной на рисунке 9.1 вращающимся вектором, соответствует комплексное число.

Рисунок 9.1  - Изображение синусоидальной  э.д.с.  вращающимся вектором на комплексной плоскости

Um=Um+jUm, (9.1)

                           Em ef(ωt+ψe)= Em cos(ωt+ψe)+jEmsi n+(ωt+ψe)= е'+je                        (9.2)

Фазовый уголь a>t+ у/, определяют по проекциям вектора  на оси координат +1   

                                                            tg (ωt+ψe)= е/е'                                                  (9.3)      

Мнимая составляющая комплексного числа вектора на комплексной плоскости определяет синусоидальное изменение э.д.с. и обозначается символом Im

                                                 e=Em sin(ωt+ψe)=Im Em е'(ωt+ψe).                                        (9.4)

Комплексное число   E j(ωt+ψe )   удобно представить в виде произведения двух комплексных чисел

                                    Em е'(ωt+ψe)= Em е' ψe e ωt = Em е(ωt                                           (9.5)                                                    

           Первое комплексное число Em соответствующее положению вектора в начальный момент времени, называют комплексной амплитудой

                                       Em = Em еtψe                                                               (9.6)

Второе комплексное число Eψ является оператором поворота вектора на

угол cat относительно начального положения вектора.

Следовательно, мгновенное значение синусоидальной величины равно

мнимой   части   без   знака  j   произведения   комплекса   амплитуды   Ет   и

оператора вращения

                                                 e=Em sin(ωt+ψe)=Im Em еjωt.                                               (9.7)                               

Переход   от   одной   формы   записи   синусоидальных   э.д.с,   токов   и

напряжений к другой осуществляется весьма просто с помощью формулы

Эйлера еjωt - cos +/sin a.

Если,  например,   комплексная  амплитуда  напряжения  задана  в  виде

комплексного числа в алгебраической форме

                                                              Um =Um+ jUm                                                         (9.8)       то, чтобы записать ее в показательной форме, необходимо найти начальную фазу <р „, т.е. угол, который образует вектор Um с осью + 1.

В данном случае вектор Um расположен в первом квадранте комплексной плоскости, и его начальная фаза (рисунок 9.2) определяется соотношением

                                                    Tg ψu=Um /Um                      (9.9)

Мгновенные значения напряжения

                                                 u=ImUm e ωt =ImUme'(ωt+ψe)= Um sin(ωt+ψe),                    (9.10)

Рассмотрим другой пример, когда комплексная амплитуда тока задана комплексным числом

                                                      Im=-Im+jIm               (9.11)

Вектор   комплексной   амплитуды   тока   /т   расположен   во   втором квадранте комплексной плоскости (рисунок 9.3). Начальная фаза этого тока

Ψt=180º-α      (9.12)

Где                                        tgψt=tg(180º-α)=- Im/ Im=tgα                (9.13)

Если задано мгновенное значение тока в виде синусоиды / = Imsin(o)e + , то комплексную амплитуду записывают сначала показательной форме, а затем, по формуле Эйлера, переходят к алгебраической форме

I=Ieiiψ (9.14)

                                               (9.15)

Рисунок 9.2 - начальная вектора комплексной амплитуды напряжения, расположенного в первом квадранте комплексной плоскости.

Рисунок 9.3 – первая начальная фаза вектора комплексной амплитуды тока, расположенного во втором квадранте комплексной плоскости

 

Применение комплексных чисел позволяет от геометрического сложения или вычитания векторов на векторной диаграмме перейти к алгебраическому действию над комплексными числами этих векторов. Например, для определения комплексной амплитуды результирующего тока (см. рисунок 9.4) достаточно сложить два комплексных числа, соответствующих комплексным амплитудам токов ветвей

                                                 I3m= Im +I2m =I3mefψ3                               (9.16)

 

Для определения комплексной амплитуды результирующей э.д.с. (см. рисунок 9.4) достаточно определить разность комплексных чисел, соответствующих комплексным амплитудам э.д.с. Е\т и Е\т.[18].

 

Изображение синусоидальных величин с помощью векторов

При расчете цепей переменного тока часто приходится производить операции сложения и вычитания токов и напряжений. Когда токи и напряжения заданы аналитически или временными диаграммами, эти операции оказываются весьма громоздкими. Существует метод построения векторных диаграмм, который позволяет значительно упростить действия над синусоидальными величинами. Покажем, что синусоидальная величина может быть изображена вращающимся вектором.

Пусть вектор 1т вращается с постоянной угловой частотой со против часовой стрелки. Начальное положение вектора /т, задано углом у/ (рисунок 9.4.). Проекция вектора 1т на ось у определяется выражением /„, sin (cot + ц/), которое соответствует

мгновенному значению переменного тока. Таким образом, временная диаграмма переменного тока является разверткой по времени вертикальной проекции вектора /т, вращающегося со скоростью со .

Изображение синусоидальных величин с помощью векторов дает возможность наглядно показать начальные фазы этих величин и сдвиг фаз между ними.

Рисунок 9.4 - Изображение синусоидального тока вращающимися векторами

На векторных диаграммах длины векторов соответствуют действующим значениям тока, напряжения и ЭДС, так как они пропорциональны амплитудам этих величин.

На рисунке 9.5 показаны векторы Ei и Е2 с начальными фазами ц/i и ц/2 сдвигом фаз

Рисунок 9.5 - Векторная диаграмма синусоидальных Э.Д.С.

Совокупность нескольких векторов, соответствующих нулевому моменту времени, называют векторной диаграммой. Необходимо иметь в виду, что на векторной диаграмме векторы изображают токи (напряжения) одинаковой частоты.

 

  Ответы на письма  в редакцию

                       

Редакция получила письмо от заведующей вузовской библиотекой. В этом письме задан вопрос о применении ГОСТ 7.1-2003, ответ на который, как нам кажется, носит общий характер и будет полезен многим.

Публикуем и письмо, и ответ на него Э.Р. Сукиасяна, главного редактора ББК, члена редколлегии сборника.

Уважаемые коллеги!

В связи с введением в действие с 1.07.04 г. [ГОСТ 7.1-2003] “Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления” возникают трудности с толкованием его отдельных положений. В частности, в разделе I “Область применения” сказано: “Стандарт распространяется на описание документов, которое составляется библиотеками, органами научно-технической информации, центрами государственной библиографии, издателями, другими библиографирующими учреждениями. Стандарт не распространяется на библиографические ссылки”.