Задание №4

Магнит сверхпроводящий

Магнит сверхпроводящий, соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго. Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке М. с., исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике.

Обмотка М. с. теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры Т_ксверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока I_k или критического магнитного поляН_к. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Т_к, I_k и Н_к (см. таблицу).

Свойства сверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов

Материал	HKпри 4,2 K,кэ	Критическая температураTK, K	Критическая плотность тока (а/см^2)  в магнитном поле
			50 кгс	100 кгс	150 кгс	200 кгс
Сплав ниобий – цирконий  (Nb 50% – Zr 50%)	90	10,5	1·10^5	0	0	0
Сплав ниобий – титан  (Nb 50% – Ti 50%)	120	9,8	3·10^5	1·10^4	0	0
Сплав ниобий – олово (Nb3Sn)	245	18,1	(1,5–2)·10^6	1·10^6	(0,7–1)·10^5	(3–5)·10^4
Соединение ванадий – галлий (V3Ga)	210	14,5	1·10^6	(2–3)·10^5	(1,5–2)·10^5	(3–5)·10^4

Для стабилизации тока в обмотке М. с. (предотвращения потери сверхпроводимости отдельными её участками) сверхпроводящие обмоточные материалы выпускаются в виде проводов и шин, состоящих из тонких жил сверхпроводника в матрице нормального металла с высокой электро- и теплопроводностью (медь или алюминий). Жилы делают не толще нескольких десятков мкм, что снижает тепловыделение в обмотке при проникновении в неё растущего с током магнитного поля. Кроме того, весь проводник при изготовлении скручивают вдоль оси (рис. 1), что способствует уменьшению токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах и замыкающихся через металл матрицы. Обмоточные материалы из хрупких интерметаллических соединений Nb₃Sn и V₃Ga выпускают в виде лент из Nb или V толщиной 10—20 мкм со слоями интерметаллида (2—3 мкм)на обеих поверхностях. Такая лента для стабилизации сверхпроводящего тока и упрочнения покрывается тонким слоем меди или нержавеющей стали.

Сравнительно небольшие М. с. (с энергией магнитного поля до нескольких сотен кдж) изготавливают с плотно намотанной обмоткой, содержащей 30—50% сверхпроводника в сечении провода. У крупных М. с., с энергией поля в десятки и сотни Мдж, проводники (шины) в своём сечении содержат 5—10% сверхпроводника, а в обмотке предусматриваются каналы, обеспечивающие надёжное охлаждение витков жидким гелием.

Электромагнитное взаимодействие витков соленоида создаёт механические напряжения в обмотке, которые в случае длинного соленоида с полем ~100 кгсэквивалентны внутреннему давлению ~ 400 am (3,9×10⁷н/м²). Обычно для придания М. с. необходимой механической прочности применяют специальные бандажи (рис. 2). В принципе, механические напряжения могут быть значительно снижены такой укладкой витков обмотки, при которой линии тока совпадают с силовыми линиями магнитного поля всей системы в целом (так называемая "бессиловая" конфигурация обмотки).

При создании в обмотке М. с. электрического тока требуемой величины сначала включают нагреватель, расположенный на замыкающем обмотку сверхпроводящем проводе. Нагреватель повышает температуру замыкающего провода выше его Т_к, и цепь шунта перестаёт быть сверхпроводящей. Когда ток в соленоиде достигнет требуемой величины, нагреватель выключают. Цепь шунта, охлаждаясь, становится сверхпроводящей, и после снижения тока питания до нуля в обмотке М. с. и замыкающем её проводе начинает циркулировать незатухающий ток.

Работающий М. с. находится обычно внутри криостата (рис. 3) с жидким гелием (температура кипящего гелия 4,2 K ниже Тк сверхпроводящих обмоточных материалов). Для предотвращения возможных повреждений сверхпроводящей цепи и экономии жидкого гелия при выделении запасённой в М. с. энергии в цепи М. с. имеется устройство для вывода энергии на разрядное сопротивление (рис. 4). Предельная напряжённость магнитного поля М. с. определяется в конечном счёте свойствами материалов, применяемых для изготовления обмотки магнита (см. таблицу).

Современные сверхпроводящие материалы позволяют получать поля до 150—200 кгс. Стоимость крупных М. с. с напряжённостью поля порядка десятков кгсв объёме нескольких м³ практически не отличается от затрат на сооружение водоохлаждаемых соленоидов с такими же параметрами, в то время как суммарные затраты электрической энергии на питание М. с. и его охлаждение приблизительно в 500 раз меньше, чем для обычных электромагнитов. Для обеспечения работы такого М. с. требуется около 100—150 квт, тогда как для эксплуатации аналогичного водоохлаждаемого магнита потребовалась бы мощность ~40—60 Мвт.

Значительное число созданных М. с. используется для исследования магнитных, электрических и оптических свойств веществ, в экспериментах по изучению плазмы, атомных ядер и элементарных частиц. М. с. получают распространение в технике связи и радиолокации, в качестве индукторов магнитного поля электромашин. Принципиально новые возможности открывает сверхпроводимость в создании М. с. — индуктивных накопителей энергии с практически неограниченным временем её хранения.

Термоэлектрический модуль Пельтье (элемент Пельтье)

В основе работы термоэлектрического охлаждающего модуля лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье, который в 1834 г. обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло. При этом количество этой теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников (Рис.1).Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (p- или n-). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале p-n перехода, с тепловыми колебаниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и, соответственно, тока, происходит нагрев (Th) или охлаждение (Tc) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (p-n или n-p переходу). 

Рис.1 Схема действия эффекта Пельтье. 

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qс), поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n (Qh). Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (Рис.2). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах - от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки, например, селен и сурьму. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая и она изображается снизу. 

  Рис.2 Так выглядят модули Пельтье. 

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока возникает разность температур (dT=Th-Tc) между его сторонами: одна пластина (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. По сути элемент Пельтье является своебразным тепловым насосом. При использовании модуля Пельтье необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с его горячей стороны, например, с помощью воздушного радиатора или водяного теплообменника (водоблока). Здесь надо учесть, что отводить придется не только "перекачиваемую" теплоту, но и добавляемую (примерно 50%) самим модулем. Если поддерживать температуру горячей стороны модуля на уровне температуры окружающей среды, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже. В высококачественных серийных ТЭМ известных производителей, например, ИПФ КРИОТЕРМ (г.Санкт-Петербург), разность температур может достигать 74 град на одном каскаде. Модуль является обратимым, т.е. при смене полярности постоянного тока горячая и холодная пластины меняются местами. Можно использовать модуль в режиме термоциклирования: чередовать режим охлаждения с режимом нагрева с помощью переключателя. Как уже отмечалось, степень охлаждения пропорциональна величине тока, проходящего через ТЭМ, что позволяет при необходимости плавно регулировать температуру охлаждаемого объекта, причем с высокой точностью. Внешний вид различных типов однокаскадного ТЭМ представлен на Рис.3. 

  Рис.3 Так выглядят модули в жизни.

Основные механизмы поляризации

Существо поляризации большинства диэлектриков состоит в воз­никновении электрического (дипольного) момента в объёме диэлек­трика вследствие перемещения связанных электрических зарядов (за­рядов, связанных в атомах, молекулах, кристаллической решетке) под действием внешнего электрического поля.

Объясним этот механизм поляризации на примере поляризации атома. Перед приложением внешнего электрического поля положитель­ные и отрицательные заряды в атоме распределены так, что внешне атом проявляет себя как электрически нейтральный. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов при этом совпадают.При воздействии внешнего электрического поля симметрия в распределении зарядов нарушается, возникаетиндуцированный элек­трический момент. Центр тяжести положительных зарядов при этом смещается в направлении напряженности внешнего поля, а центр тяжести отрицательных зарядов – в противоположном направлении. Такой механизм поляризации называется электронной поляризацией. Смещение центра тяжести отрицательных зарядов пропорционально напряженности внешнего поля.Проследим, как этот механизм проявляется на временной зави­симости электрического тока поляризации в течение одного периода (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Изменение во времени электрического тока поляризации диэлектрика с электронной поляризацией

В первой четверти периода напряженность внешнего поля непре­рывно возрастает и в момент t = T/4 достигает максимума. Тотчас после приложения поля центр тяжести отрицательных зарядов откло­нится и через диэлектрик потечет относительно большой ток. При дальнейшем возрастании напряженности поля смещение центра тяжести хотя и увеличивается, но все медленнее, так как поле должно преодолевать все большие упругие силы. Поэтому ток постепенно уменьшается. При t = T/4 ток становится равным нулю и смещение электронов против направления напряженности внешнего поля заканчивается. С этого момента направление движения электронов изменится, так как упругие силы связи стремятся возвратить их в исход­ное положение. Поэтому при уменьшении напряженности внешнего поля ток течет в обратном направлении и постепенно уве­личивается. При t = T/2 центры тяжести зарядов находятся в исходном положении. Во втором полупериоде процесс повторяется с той разницей, что заряды смещаются в направлении, обратном направлению их смещения в первом полупериоде. Этот про­цесс периодически повторяется.

Время, в течение которого заряды в атомах способны реагировать на внеш­нее поле, очень мало и имеет порядок 10^-15 с, то есть реакция почти мгновенна, поэтому вектор тока опережает вектор на­пряжения на 90°.

При других типах поляризации это время больше, так как меха­низм поляризации является иным. Часто речь идет о смещении более тяжелых частиц, встречающих сопротивление среды. В таких случаях опережение вектора тока по отношению к вектору напряжения мень­ше 90°.

Каким бы ни был физический механизм при различных типах поляризации, внешне поляризация проявляется всегда одинаково, т.е. как нарушение симметрии распределения электрических зарядов в ди­электрике. Заряды противоположных знаков, смещенные внешним по­лем со своих равновесных положений, образуют электрические диполи, поле которых действует навстречу причине их возникновения и спо­собно скомпенсировать часть внешнего электрического поля. Поле диполей связывает часть зарядов на электродах.

В общем случае электрическая поляризация представляет собой комплекс явлений, связанных с различными механизмами поляриза­ции и происходящих на микроскопическом уровне.

Основным механизмом поляризации можно считать упругое сме­щение частиц в диэлектрике. Поляризация такого типа называется упругой. При упругом смещении электронов в атомах говорят об упругой электронной поляризации. При взаимно упругом смещении противоположно заря­женных ионов в кристаллической решетке ионных кристаллов говорят обупругой ионной поляризации. В случае упругого смещения про­тивоположно заряженных частиц в молекуле с постоянным дипольным моментом говорят об упругой дипольной поляризации. Общим признаком таких механизмов поляризации является то, что поляризация происходит очень быстро и без потерь.

Может случиться, что индуцированный электрический момент воз­никает в результате смещения слабосвязанных частиц (электронов или ионов), которые не связаны упругими силами, или в результате ори­ентации постоянных диполей в направлении внешнего поля. Реакция этих частиц на изменения внешнего поля уже не такая быстрая, как в случае поляризации упругого типа. После исчезновения внешне­го поля частицы возвращаются в исходное положение не мгновенно, а через определенное время, и не под действием упругих сил связи, а в результате хаотического теплового движения. Такиемеханизмы поляризации называются релаксационными и характерны тем, что сопровождаются потерями электрической энергии и сильно зависят от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры.

К этим основным механизмам поляризации в некоторых специаль­ных случаях добавляются особые типы поляризации –миграционная и спонтанная.

Миграционная поляризация заключается в возникновении индуци­рованного дипольного момента вследствие смещения свободных заря­дов, которые не имеют возможности нейтрализации на электродах.

Такие заряды концентрируются под действием внешнего поля на бло­кирующих барьерах различного характера и образуют пространствен­ные заряды, поле которых внешне проявляет себя как поляризация особого вида. Это типично для неоднородных диэлектриков.

Спонтанная поляризация заключается в ориентации спонтанно (самопроизвольно) образовавшихся электрических моментов в направ­лении внешнего электрического поля. Это типично для сегнетоэлектриков.

Оба особых типа поляризации имеют нелинейный характер.

О релаксационном характере поляризации можно говорить в узком и широком смысле.

В узком смысле релаксационной поляризацией считается такая поляризация, при которой зависимость поляризованности от времени после приложения или снятия внешнего постоянного поля имеет экспоненциальный характер и описывается выражениями (7.1) или (7.2).

Рисунок 7.2 – Изменение во времени поляризованности при релаксационном характере поляризации:

a – при возникновении; б – при исчезновении

После приложения поля поляризованность растет во времени

 (7.1)

где P_r(t) – релаксационная поляризованность в момент t; P_r∞(t) – релаксационная поляризованность в установившемся состоянии; Т – постоянная времени; e – основание натуральных логарифмов (e =2,718).

После снятия внешнего поля релаксационная поляризованность уменьшается согласно формуле

 (7.2)

Кривые изменения релаксационной поляризованности во времени при приложении и снятии внешнего поля показаны на рисунке 7.2.

Важным параметром процесса релаксационной поляризации явля­ется постоянная времени Т. Она равна времени, за которое релакса­ционная поляризованность после снятия электрического поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня. Неполярными считаются такие диэлектрики, частицы которых не имеют постоянного дипольного момента и у которых могут возникать только индуцированные дипольные моменты под действием внешнего электрического поля. Основной вопрос в том, является ли молекула материала полярной или неполярной, принадлежит характеру хими­ческих связей и ориентации диполей. Если эти связи без дипольного момента, то есть чисто ковалентные, или если эти связи – переходного типа с дипольными моментами, которые ориентированы так, что взаимно компенсируются; центры тяжести положительных и отрицатель­ных зарядов в молекулах материала совпадают и материал является неполярным. На практике к неполярным материалам относят и такие полярные материалы, у которых полярность очень слабо выражена, то есть молекулы имеют лишь малый постоянный дипольный момент.К неполярным электроизоляционным материалам относятся поли­этилен, политетрафторэтилен, полистирол, парафин и др. Слабополяр­ным является нефтяное (минеральное) масло.Полярными считаются такие материалы, молекулы которых и без воздействия внешнего электрического поля имеют электрический момент (собственный, или постоянный, дипольный момент). Это моле­кулы, в которых отдельные атомы связаны полярными связями со взаимно нескомпенсированными  дипольными моментами связей.К полярным материалам относятся целлюлоза, поливинилхлорид, хлорированные дифенилы и др.Поляризованность диэлектрика равна индуцированному диполь-моменту единицы объема диэлектрика, т. е является суммой элементарных дипольных моментов в единице объёма Способность диэлектрика к поляризации можно охарактеризовать тремя величинами – поляризуемостью, диэлектрической восприимчивостью и относительнойдиэлектрической проницаемостью. В технике чаще всего используется относительная диэлектрическая проницаемость.Поляризуемость связана с поляризованностью диэлектрика

P=NαE, (7.3)

где Р – поляризованность; N – концентрация индуцированных диполей; α – поляризуемость; Е – напряженность постоянного электриче ского поля.Относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость диэлектрика связаны с поляризованностью

 (7.4)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная (ε₀=8,854·10^-12 Ф/м);  – относи­тельная диэлектрическая проницаемость;  - диэлектрическая восприимчивость.Из сравнения выражений (7.3) и (7.4) следует соотношение между относительной диэлектрической проницаемостью, относительной диэлек­трической восприимчивостью и поляризуемостью диэлектрика

 (7.5)

Пропиточные вещества, компаунды их назначение

Компаундами называются изоляционные составы, жидкие в момент их применения, которые затем отвердевают. Электроизоляционные компаунды не содержат растворителей.

По своему назначению электроизоляционные компаундыделятся на пропиточные и заливочные. Первые применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые - для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в электрических аппаратах и приборах (трансформаторы, дроссели и др.).

Электроизоляционные компаунды могут быть термореактивными (неразмягчающимися после своего отвердевания) или термопластичными (размягчающимися при последующих нагревах). К термореактивным относятся компаунды на основе эпоксидных, полиэфирных и некоторых других смол. К термопластичным - компаунды на основе битумов, воскообразных диэлектриков и термопластичных полимеров (полистирол, полиизобутилен и др.). Пропиточные и заливочные компаунды на основе битумов по нагревостойкости относятся к классу А (105° С), а некоторые к классу Y (до 90° С) и ниже.

Компаунды МБК изготовляются на основе метакриловых эфиров и применяются как пропиточные и заливочные. Они после отвердевания при 70 - 100° С (а со специальными отвердителями при 20° С) являются термореактивными веществами, которые могут использоваться в интервале температур от -55 до + 105°С.

Компаунды МБК имеют малую объемную усадку (2 - 3%) и обладают большой пропитывающей способностью. Они химически инертны по отношению к металлам, но реагируют с резиной.

Компаунды КГМС-1 и КГМС-2 в исходном состоянии представляют растворы полиэфиров в мономерном стироле с добавкой отвердителей. В конечном (рабочем) состоянии они представляют собой твердые термореактивные диэлектрики, могущие длительно использоваться в интервале температур от -60° до + 120° С (класс нагревостойкости Е). При нагревах до 220 - 250° С отвердевшие компаунды МБК и КГМС несколько размягчаются.

Быстрое отвердевание компаундов КГМС происходит при температурах 80 - 100° С. При 20° С процесс отвердевания этих компаундов протекает медленно. Приготовление исходной пропиточной массы (смесь полиэфира со стиролом и отвердителями) производят при комнатной температуре. Компаунды КГМС вызывают окисление незащищенных медных проводов.

Эпоксидные и эпоксидно-полиэфирные компаунды отличаются малой объемной усадкой (0,2 - 0,8%). В исходном состоянии они представляют собой смеси эпоксидной смолы с полиэфиром и отвердителями (малеиновый или фталевый ангидриды и другие вещества), а иногда вводятся еще наполнители (пылевидный кварц и др.).

Отвердевание эпоксидно-полиэфирных компаундов может производиться как при повышенных (100 - 120°С), так и при комнатных температурах (компаунд К-168 и др.). В конечном (рабочем) состоянии эпоксидные и эпоксидно-полиэфирные компаунды представляют собой термореактивные вещества, могущие длительно работать в интервале температур от -45 до +120 - 130° С (классы нагревостойкости Е и В). Морозостойкость этих компаундов в тонких слоях (1 - 2 мм) доходит до -60° С. Достоинствами эпоксидных компаундов являются хорошее прилипание к металлам и другим материалам (пластмассы, керамика), высокая стойкость к воде и к грибковой плесени.

Эпоксидные и эпоксидно-полиэфирные компаунды применяются в качестве литой изоляции (вместо фарфоровых и металлических корпусов) трансформаторов тока и напряжения, дросселей и других блоков электрических аппаратов и приборов. В этих случаях жидкий компаунд заливается в металлические формы, которые потом удаляются.

Недостатком многих эпоксидных и эпоксидно-полиэфирных компаундов является короткий срок (от 20 до 24 мин) жизни после приготовления, по истечении которого компаунд приобретает большую вязкость, исключающую дальнейшее применение.

Все компаунды холодной заливки отличаются малой объемной усадкой и не требуют предварительного разогрева для изготовления исходной заливочной массы. К таким компаундам относятся массы на основе эпоксидных смол (компаунд К-168 и др.), компаунды РГЛ на основе резорцино-глицеридного эфира, компаунд КХЗ-158 (ВЭИ) - на основе битума и резинатов канифоли и другие.

Кремний-органические компаунды обладают наибольшей нагревостойкостью, но требуют высоких температур (150 - 200° С) для своего отвердевания. Они применяются для пропитки и заливки обмоток электрических машин и аппаратов, длительно работающих при 180°С (класс нагревостой кости Н).

Диизоцианатные компаунды отличаются наивысшей морозостойкостью ( -80° С),но по нагревостойкости они относятся к классу Е (120° С).