книги из ГПНТБ / Бальчитис А.А. Емкостная подобласть индукционных процессов преобразования потоков энергии

(А=2тс Л).

Совместное рассмотрение (1.133), (1.135) и (1.137) дает возможность установить следующее правило квантования электрических и магнитных зарядов:

(1.138)

Из этого правила следует принцип неопределенности одновременного измерения величин электрического и магнитного зарядов: частицы эти не до­ пускают одновременной локализации в системе неподвижной и движущейся относительно наблюдателя (аналогично принципу неопределенности Гейзенберга).

Все величины, характеризующие электромагнитное поле в данном объеме,, могут быть представлены тройным рядом Фурье (по трем координатам) в виде разложения векторного потенциала1

(1.139)

к

При этом полная энергия выражается в виде суммы

(1.140)

к

энергии

(1.141),

связанных с каждой из плоских волн в отдельности (F-объем).

1 Л . Д . Л а н д а у , Е. М. Лифшиц, Теория поля, изд. 5-е, М., „Наука", 1967, стр. 167.

51

вид, аналогичный каноническим уравнениям (Гамильтона) аналитической механики.

Могут быть введены „канонические переменные" Q(P и Q<£\ определяе­ мые соотношениями

идентичны равенствам

ауравнения

52

— уравнениям поля

(1.147)

Векторы Q[k) и Q[k) ортогональны вектору Лги имеют по две независимые компоненты. Направление поляризации соответствующей бегущей волны определяет направление этих векторов. Если две компоненты вектора 0[к) (в плоскости, перпендикулярной к) обозначить Q^S) (/=1,2), а две компо­ ненты вектора Qik\ соответственно через Q^.K, то имеем

совершающего гармонические колебания. Поэтому рассмотренное разложе­

твенно - временное описание которых определяется уравнениями Максвелла. Изложенное показывает, что в квантовой электродинамике могут приме­ няться правила квантования к электрическим и магнитным зарядам и их плотностям подобно тому, как это делается с координатой и импульсом час­ тицы (см. приложение).

53

ГЛАВА 2

ЕМКОСТНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ

Путь к емкостным методам преобразования потоков энергии

ния", мощность которых была больше машин трения. Эти машины явились прототипами двух больших классов емкостных машин: конвекционных ма­ шин с транспортером диэлектриком (типа машин Гольца) и индукционных

тродами, а металлические щетки заземлены скользящими контактами. Воз­ буждение машины осуществлялось аналогично электрофору с помощью металлического индуктора, на который подавалось напряжение от внешнего источника. Д л я получения самовозбуждающейся машины Теплер строил их сдвоенными. В этом случае вторая машина служила источником возбуждения первой и наоборот.

зарядов осуществлялся изоляционным диском, снабженным щетками. На этом диске д л я обеспечения самовозбуждения закреплялись дополнительные металлические электроды, соединенные со скользящими контактами. Наи -

54

более распространенной емкостной машиной такого типа была машина Голь­

ные „электростатические" теории, в которых процессы преобразования пото­ ков энергии объяснялись взаимодействием статических зарядов.

Согласно современным представлениям, в основе емкостного индукцион­ ного метода преобразования потоков энергии лежит преобразование Лорен­ ца (1.4): движение диэлектрика в поперечном электрическом поле вызывает смещение электрических зарядов и индукцию тока, следовательно, и магнит­ ного поля соответственно. Однако вначале все процессы, связанные с емкост­ ными методами преобразования потоков энергии, объяснялись исключительно, конвекционными явлениями.

Возбуждение магнитного поля движущимися свободными электрическими зарядами впервые наблюдал Н . A. Rowland в лаборатории Гельмгольца в 1876 г. [26, 27]. В 1885 г. W. С. Rontgen повторил опыты Роуленда и иссле­ довал индукцию магнитного поля диэлектрической пластинкой, движущейся между обкладками конденсатора в постоянном электрическом поле [28].

Идея использования поперечных, но не постоянных, а переменных элек­ трических полей при исследовании явлений индукции магнитного поля дви­ жущимся диэлектриком была предложена V. Cremieu и успешно использо­ вана в экспериментальных исследованиях Н . Pender'oM [29, 30] в лаборато­ рии Роуленда. Переменные электрические поля создавались с помощью комму­ татора.

Аналогичные опыты были поставлены N . Vasilesco — Karpen в Париже [31], однако использовался не коммутатор, а генератор переменного тока высокого напряжения.

Более точные эксперименты по определению величины индуцированного магнитного поля движущимся диэлектриком в поперечном электрическом поле проводились А. А. Эйхенвальдом в 1900 —1904 гг. в Московском инже­ нерном училище [32, 33]. Результаты опытов обобщены в работе „О магнит­ ном действии тел, движущихся в электрическом поле" [33].

1 Более полная библиография по емкостным машинам приведена в д р у г о й работеавтора [6].

55

„По своей важности он может быть поставлен наряду с вопросом об электро­ движущей силе индукции; оба вопроса с теоретической точки зрения анало­ гичны" [33, стр. 20].

Обстоятельный анализопытов Рентгена - Эйхенвальда приводится в ряде работ по классической и релятивистской электродинамике [9, 19, 34, 35 и др].

В настоящее время теория емкостных преобразователей рассматривается как раздел общей теории электромеханических преобразователей. Пуанкаре [1] и Баркгаузен [2] впервые строго доказали, что электромеханическое пре­ образование потоков энергии возможно при условии изменения емкости или индуктивности между рабочими элементами соответственно емкостного или индуктивного преобразователя. Дальнейшее развитие теория емкостных ма­ шин получила в работах Ф. Оллендорфа [3] и А. Е. Каплянского [4].

Теории и практике построения емкостных машин значительное внимание уделяли советские исследователи А. Ф. Иоффе, Б . М. Гохберг, Н . М. Рейнов [36-38], А. А. Воробьев [39, 40], А. К. Вальтер [41]. Однако в то время, когда теория емкостных машин успешно развивалась в направлении исследо­

1 Обширная библиография по емкостным конвекционным генераторам приведена в работе: В. И. Левитов, А. Г. Ляпин, Электростатические генераторы с жестким ротором, ч. I . ЦИНТИприборэлектропром, М., 1963; ч. 2, ВНИИЭМ, М., 1965.

56

С целью увеличения удельной мощности предпринимались неоднократ­

в емкостных машинах связано с рядом конструктивных трудностей, выража­ ющихся в недопустимо больших потерях за счет трения.

Наблюдающееся в последние годы стремление создать емкостные пре­ образователи прямого преобразования потоков энергии, аналогичные индук­ тивным (МГД) преобразователям, привело к мысли замены рабочего тела ем­ костной машины (представляющего собой систему фиксированных электро­ дов) жидкообразным или газообразным рабочим телом — диэлектриком. Появились так называемые электрогидродинамические (ЭГД) и электрога­ зодинамические (ЭГазД) емкостные преобразователи прямого преобразова­ ния потоков энергии.

В ЭГД- и ЭГазД-преобразователях электроды неподвижны, а движется рабочее тело — слабопроводящие жидкость или газ. Отсутствие движущихся частей в ЭГД - и ЭГазД - преобразователях выгодно отличает их от емкост­ ных машин.

В замкнутой системе ЭГД - и ЭГазД-преобразователей рабочее тело — диэлектрик не может загрязниться, отпадает необходимость в периодическом ее очищении, отсутствуют ограничения в развитии площади поверхности электродов, т.е. активных поверхностей преобразователя.

Вторая проблема, трудности решения которой задерживают развитие мощных емкостных машин, — проблема коммутации. Эта проблема решается просто в ЭГД - и ЭГазД - конвекционных преобразователях и индукционных преобразователях, являющихся преобразователями переменного тока.

назад Вильсоном вертушка, которую удалось заставить вращаться с помощью „электрического ветра", возникающего при коронном разряде. Опыт Виль ­ сона привлек внимание Ньютона, Кулона, Фарадея и В. Томсона. Работа ко­ леса Франклина [42] основана также на использовании „электрического вет­

57

1753 г. в работе „Слово о явлениях воздушных от Електрической силы проис­ ходящих" .

Количественную оценку конвекционным явлениям, связанным с корон­ ным разрядом с острия, впервые пытается дать С. Аррениус [43]. Гюнтершульц с сотрудниками [44, 45] и Г. Тейхманн [46] исследовали модель „коронного двигателя". Г. Квинке [47], А. Гейдвейлер [48] и Л . Греэц [49] изучали враща­ тельное движение цилиндров и шаров из твердого диэлектрика, помещенных между обкладками плоского конденсатора, заполненного жидким диэлектри­ ком. Л . Больцман [50] объяснил это явление различием в удельных электропроводностях использованных твердых и жидких диэлектриков и накоплением

электрических зарядов в масле и воздухе, опубликовал Д . Авсек [51], Опыт­ ные исследования электрического ветра в воздухе и жидкости проводил также

вином) в конвекционной установке — генераторе с рабочим телом в виде капель жидкости (воды)1 . Г. И. Бабату принадлежит идея создания ионно-конвек-

собой различные варианты конвекционных генераторов, принцип действия которых не отличается от принципа действия известного генератора Ван-де- Граафа.

В разработке электрогазодинамических конвекционных генераторов до­ стигнуты значительные успехи. Появились сообщения [229] о проектировании фирмами „Гурдин Системе" и „Фостер - Уиллер" генератора на газах —продук­

58

переносит заряды в атмосфере гелия. Удельная мощность такого генератора

ускоряющем электроде в некоторых образцах составлял около 1 % от полного

данной теме весьма ограничено [75, 76]. Только в последнее время стали появ­ ляться публикации об успешном экспериментальном исследовании емкост­

Интерес к емкостным индукционным преобразователям объясняется воз­ можностью создания ВЧ преобразователей — генераторов и двигателей, когда скорость волны велика, и вихревые токи препятствуют созданию мощ­ ных индуктивных асинхронных преобразователей.

В преобразователях с ортогональными пространственно и по фазе пере­ менными полями Ё и Я в настоящее время, как правило, используется индук­

Дальнейшее упрощение конструкции Э Г Д И - и Э Г а з Д И - преобразо­ вателей достигается использованием электрического поля, фаза которого изменяется по длине рабочего канала или рабочего зазора, т.е. в случае ис­ пользования бегущего электрического поля.

Аналогом емкостных преобразователей с бегущим электрическим полем являются индуктивные преобразователи с бегущим магнитным полем, тео­ рия и практика построения которых в настоящее время охватывает не только вращательное (асинхронные двигатели и генераторы), но интенсивно раз-

59