Токи высокой частоты. Резонансный трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты.

Высокочастотный ток

Подробности Категория:

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТОК

, переменный электрический ток высокой частоты; при наличии соответствующего излучателя — антенны излучает в пространство на значительные расстояния энергию в виде волн электромагнитных, которые, в свою очередь, вызывают токи той же частоты в приемных устройствах, расположенных вдали от источников высокочастотного тока.

Высокочастотный ток употребляется в радиотелеграфии и радиотелефонии, при передаче изображений на расстояние, телемеханике и вообще во всех тех случаях, когда необходимо передать на расстояние электромагнитную энергию без помощи проводов. Диапазон частот токов в указанных областях техники заключается в настоящее время в пределах от 15000 пер/сек. (длина волны 20000 м) до 300000000 пер/сек. (длина волны 1 м).

Высокочастотный ток обладает при движении по проводам следующими особенностями, отличающими его от переменных электрических токов низкой частоты: 1) Высокочастотный ток в проводах распределяется в слоях, ближайших к поверхности; 2) наименьшее сопротивление для высокочастотного тока представляют, поэтому, провода, не с наибольшей площадью сечения, а с наибольшим периметром сечения; 3) сопротивление проводов растет вместе с частотой токов; 4) самоиндукция проводов при высокочастотном токе ниже, чем при переменных токах низкой частоты;

5) индуктивное сопротивление проводов при высокочастотном токе значительно выше, чем в случае низких частот: оно растет вместе с частотой; 6) физиологическое действие высокочастотного тока значительно отличается от такого же низкочастотного тока; в частности, высокочастотные токи нежизнеопасны. В силу сказанного в п. 1, провода для высокочастотных токов делаются или в виде полых трубок, или в виде лент, или же составляются из подразделенных тонких проводников. Высокочастотные токи производятся следующими способами: 1) посредством повторных разрядов конденсаторов через искровой промежуток в искровых передатчиках; 2) посредством вольтовой дуги в дуговых передатчиках; 3) посредством машин высокой частоты; 4) посредством электронных генераторных ламп. Высокочастотные токи, получающиеся при разрядах конденсаторов, характеризуются затухающими колебаниями; высокочастотные токи, производимые дуговыми передатчиками, машинами высокой частоты и электронными лампами, характеризуются незатухающими колебаниями.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 — 1928 г.

• < Назад
• Вперёд >

Высокие токи при низких температурах

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Сверхпроводники делятся на два обширных класса — низкотемпературные, работающие при температурах, близких к температуре жидкого гелия (4,2 К), и высокотемпературные, пропускающие без потерь токи высокой плотности (до 106 А/см2 поперечного сечения проводника) при температуре жидкого азота. Низкотемпературные композиционные сверхпроводники представляют собой композиционную проволоку (стренд) диаметром 0,5—2,0 мм, длиной до 50 км, содержащую в металлической матрице несколько десятков тысяч непрерывных сверхпроводящих волокон диаметром 1,5—5 мкм каждое.

Первые высокотемпературные сверхпроводники изготавливали в виде распределённых в матрице из серебра волокон твёрдой и сложной по своему составу керамики, содержащей соединение Bi2Sr2Ca2Cu3Oх (Bi-2223). Они нашли применение в электротехнических устройствах, предназначенных для разных целей — от медицинской диагностики до исследований физики элементарных частиц. Однако первые высокотемпературные керамические сверхпроводники, наряду с уникальными электротехническими характеристиками, обладали рядом свойств, которые затрудняли их использование. Из-за сложности кристаллической структуры и большого количества компонентов в составе они были исключительно хрупкими, обладали низкой химической стабильностью, склонностью к фазовым превращениям и миграции кислорода, резкой анизотропией физических свойств, в том числе критической плотности тока.

Специалисты Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов (ВНИИНМ) им. А. А. Бочвара совместно с другими институтами занимаются разработкой низкотемпературных сверхпроводников на основе деформируемого сверхпроводящего сплава Nb-Ti и сверхпроводящего интерметаллического соединения Nb3Sn. Волокна из Nb-Ti или Nb3Sn определённым образом расположены в матрице из меди или сплава на основе меди. Кроме того, в конструкцию стренда входят стабилизирующая медная оболочка и диффузионный барьер, обычно из ниобия или тантала. (На фото — поперечные срезы нескольких конструкций композиционных прутков.)

Во ВНИИНМе разработаны конструкции и технологии изготовления композиционных сверхпроводников из Nb-Ti и Nb3Sn для магнитной системы строящегося международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, а на Чепецком механическом заводе запущено первое отечественное промышленное производство низкотемпературных сверхпроводников и изготовлено около 220 тонн таких единичных сверхпроводников. Мощности производства позволяют наладить промышленный выпуск Nb-Ti-сверхпроводников и для других мегапроектов, а также Nb-Ti-стрендов для медицинских томографов.

Высокотемпературными композиционными сверхпроводниками институт занимается с момента их открытия в середине 80-х годов прошлого века. Сейчас здесь идёт работа над ВТСП второго поколения. Они представляют собой гибкие металлические ленты длиной до нескольких сотен метров и шириной 4—12 мм с нанесённым на них тонким слоем сверхпроводящей керамики Y(Gd, Dy)-Ba2-Cu3-OX, где х = 6,5—6,94. Высоких значений плотности критического тока (до 5 МА/см2 при 77 К) можно достигнуть, только если покрытие имеет ярко выраженную текстуру. Толщина слоя ВТСП невелика, порядка 1 мкм, чего, однако, достаточно для достижения значений критического тока проводника в несколько сотен ампер.

В последнее время интерес вызывают открытые в начале нынешнего века сверхпроводники на основе диборида магния (MgB2) благодаря их низкой стоимости и высоким электротехническим характеристикам. Разработки ВНИИНМ были показаны на выставке, приуроченной к форуму «Открытые инновации».

Ирония судьбы постоянного тока

Чтобы оценить всю иронию ситуации с возвращением постоянного тока в высоковольтные линии электропередач, нужно вспомнить о событиях «Войны токов» — сражения апологетов постоянного тока в лице изобретателя и бизнесмена Томаса Эдисона и тока переменного, преимущества которого осознавал предприниматель Джордж Вестингауз. Вкратце напомним о том, как постоянный ток проиграл битву за то, чтобы стать основой мирового энергоснабжения.

После того, как человечество подчинило себе электричество и научилось извлекать из него пользу в промышленности, дальновидные бизнесмены смекнули, что на электрификации городов в перспективе можно сколотить не просто капитал, а фантастическое состояние. Изобретатель Томас Эдисон отлично умел монетизировать свой талант инноватора и зарабатывал не столько на собственных изобретениях, сколько на усовершенствовании чужих идей. Одним из примеров такой успешной «доводки» стало создание лампы накаливания, которая появилась благодаря попавшем в руки Эдисона дуговым лампам с угольными электродами. Такие лампы хоть и давали свет, но в качестве постоянных источников освещения не годились — в те времена угольные дуговые лампы работали от силы несколько часов, а включить их можно было только один раз.

Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.

Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.

К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.

Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.

Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.

Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.

Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.

Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.

У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.

«Война токов» продолжилась некрасивой пиар-кампанией Эдисона против переменного тока (показана, в частности в художественном фильме 2022 года «Война токов», или The Current War, режиссёра А. Гомес-Рехона), судебной и законотворческой волокитой против Вестингауза и постепенной потерей позиций бизнеса Эдисона под давлением всё более популярных сетей переменного тока. Последняя эдисоновская электростанция постоянного тока прекратила свою работу в 1981 году, что же до потребителей, в Сан-Франциско до сих пор сотни объектов (в основном старинные лифты) используют постоянный ток через выпрямители переменного тока. Но для нас это уже не так важно.