Лабораторна робота № 1 Джерело струму для електричного підривання моделі «заряду»

1.1. Мета роботи: Набуття практичних навичок поводження з імітатором «вибуху», ознайомлення з конструкційними особливостями та принципом дії блоку електродугового розряду.

1.2. Теоретичні відомості. Електричний розряд в рідині є процесом прямого перетворення електричної енергії в механічну. В практиці користуються розрядами з сильно відмінними параметрами. Основні з них - енергія розряду та його тривалість - можуть змінюватись в широких межах. Так, в технологічних процесах та пристроях, в яких розряд слугує джерелом імпульсів тиску, енергія одного розряду досягає 10 ³... 10 ⁵ Дж [6].

Звичайно використовують розряди в режимі, близькому до критичного, оскільки цей режим забезпечує найбільш швидку передачу енергії накопичувача в канал розряду та найбільший електроакустичний коефіцієнт корисної дії. Тривалість розряду в цьому випадку наближено визначається величиною 2 , де L і С - відповідно, індуктивність та ємкість розрядного контуру. Тривалість розрядів лежить в діапазоні від 10^-3 до 10^-5, температура в каналі розряду 210³... 510⁴ К. Імпульсні електричні потужності, що розвиваються при розрядах, досягають величин 10²...10⁵ кВт. Щільність енергії в каналі розряду в залежності від енергії розряду та його тривалості суттєво відрізняється, досягаючи в деяких випадках величин 10² ...10³ Дж/см² , що всього лише на один порядок нижче щільності енергії при вибухах концентрованих вибухових речовин (ВР). Тиск в каналі розряду може досягати 3*10⁹ Па, швидкість розширення стінки каналу 1500 м/с.

Ефективне ініціювання розрядів в мало провідній воді не складає проблем, якщо застосовуються високі напруги (5...100)10³ В. Але застосування високої напруги пов'язане з певними труднощами - необхідністю забезпечення надійної ізоляції високовольтних мереж, що пов'язане із збільшенням габаритів та маси установок, пожорсткішанням режимів електробезпеки.

Застосування відносно низьковольтних розрядів з тими ж енергіями можливе при використанні способу ініціювання розряду в дротяних містках. Ініціювання розряду дротяними містками основане на використанні електричного підривання провідників у повітряному середовищі. В основних рисах цей вибух можна характеризувати трьома стадіями процесу:

Перша стадія протікання розрядного струму може відбуватись у трьох режимах:

повільного вибуху - коли час випаровування дроту набагато більший часу, необхідного для розвитку нестабільностей в розплавленому дроті;

швидкого вибуху - коли час випаровування провідника малий порівняно з часом розвитку нестабільності;

вибухової абляції - коли час випаровування малий порівняно з часом проникнення температури, що відповідає точці кипіння, на глибині 1/е від радіуса провідника.

Розвиток вибуху в останній ситуації визначається випаровуванням провідника з поверхні.

Перша стадія закінчується переходом провідника в непровідний стан.

Після цього настає друга стадія - пауза струму. Пауза продовжується, поки щільність газу в каналі, що розширюється, не впаде настільки, що стане можливим пробій газу під дією напруги, що залишилась на конденсаторі.

Третя стадія - розряд по газовому каналові. Якщо енергія конденсатора мала, і її достатньо лише для випаровування дроту, друга та третя стадії або відсутні, або слабко виявляються. В випадку вольфрамових провідників слабко виражена пауза струму - струм лише дещо зменшується після вибуху провідника, потім збільшується - настає одразу третя стадія процесу.

Вибух провідника у воді якісно подібний до вибуху його в повітрі. Різниця лише в кількісних характеристиках стадій. При вибуху у воді всі стадії, особливо друга, затягуються в часі, внаслідок інерції води, що заважає розширенню провідника на 1-й стадії та газового каналу - на 2-й та 3-й стадіях. Тривалість паузи струму залежить від матеріалу і для вольфраму мінімальна.

На випаровування провідника витрачається близько 70% енергії конденсатора. З неї в ударну хвилю переходить не більше 25% енергії, а на пульсацію газового пухиря - 30...35% енергії, що виділилась у каналі, тобто, половина енергії конденсатора витрачається на теплові втрати. Застосування алюмінієвого дроту збільшує енергію розряду вдвічі за рахунок реакції Al з киснем - продуктом дисоціації води. Це дає великий екзотермічний ефект.

Якщо резерви збільшення енергії електророзряду обмежені напругою та ємкістю конденсатора, то в каналі розряду збільшити енергію можна введенням екзотермічних домішок.

Шляхом зміни таких параметрів електрозаряду, як U, C, L_k , R_k та довжини міжелектродного проміжку чи провідникового містка , можна забезпечити перерозподіл енергії розряду (більше - в ударну хвилю, менше - в енергію пульсування газового пухиря).

Оцінку максимального тиску в ударній хвилі (УХ) можна виконати за виразом:

, (1.1)

де C - ємкість конденсатора, Ф; U - напруга на ємкості, В; L_k - індуктивність, Гн; r - відстань від осі каналу розряду, см.

1.3. Блок електродугового розряду. Блок складається з одно-півперіодного випрямляча напруги ±300 В для зарядження конденсаторів, ємкість яких складає 5000 мкФ, перемикача для зарядки та розрядки конденсаторів, тиристора Т-160, що включає напругу на спіраль при натисканні кнопки «пуск», та трансформатора для зовнішнього запускання розгортки осцилографа. Напруга заряду чи розряду на конденсаторах спостерігається за допомогою вольтметра (рис. 1.1).

Спіраль виготовляється з дроту ПЕП чи ПЕВ  0,2 мм і складається з двох витків, намотаних на стрижень 2 мм .

Енергія спіралі при вибуху визначається за формулою:

, (1.2)

де Q - енергія спіралі, Дж; C - ємкість конденсатора розряду, мкФ; U -напруга розряду, кВ.

Робота з блоком електродугового розряду виконується в такій послідовності:

вилку шнура блока включити в розетку 220 В;

поставити вилку запобіжника в гніздо ПР;

кабель для запуску розгортки осцилографа включити на зовнішній запуск, а перемикач запуску розгортки поставити в положення 1:1 або 1:10, попередньо вибравши рівень запуску ;

включити тумблер мережі на блоці ЕДР ;

тумблер «заряд-розряд» переключити в положення «заряд»;

в зажимах для спіралі закріпити манганінову, константанову чи ніхромову дротину 0.2...0.3 мм;

датчик закріпити на необхідній відстані від спіралі;

включити вилку шнура спіралі в гніздо на блоці ЕДР;

підготувати осцилограф до запису;

тумблер «заряд- розряд» - в положення «розряд»;

натиснути на кнопку «пуск».