Тепловыми колебаниями

Часто при освоении новых нефтяных и газовых месторождений, расположенных далеко от сетей энергосистем, при разведочных работах и в начальный период эксплуатации для временного электроснабжения применяются местные дизельные и газотурбинные электростанции мощностью несколько тысяч киловатт, энергопоезда с тепловыми электростанциями, которые

1-6. Ермаков В. С., Минков В. А., Миркин М. Л. Автоматизированные системы экономического управления тепловыми электростанциями.— М.: Энергия, 1970.

1. Общие сведения. Электрические станции — это предприятия по производству электроэнергии, а в отдельных случаях и тепла. В России первая электростанция мощностью 1200 кВт при напряжении 250 В была построена в 1893 г. А. Н. Щенсковичем в Новороссийске. За истекший период времени мощность электростанций увеличилась в десятки тысяч раз. Более 80%' электроэнергии в СССР вырабатывается тепловыми электростанциями на органическом топливе (ТЭС), остальная — гидравлическими (ГЭС) и атомными (АЭС)' электростанциями. Использование для производства электроэнергии других, кроме гидроэнергетических возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, морские приливы, геотермальные воды и др.), пока ограничено только опытными или опытно-промышленными электроустановками.

Однако суммарная мощность всех электростанций мира (2 млрд. кВт) уже соизмерима с мощностью многих явлений природы. Так, средняя мощность воздушных течений на планете составляет (25—35)109 кВт. Такого же порядка средняя мощность ураганов — (30— —40) 109 кВт. Суммарная мощность приливов равна (2— —5)109 кВт. Проводя сопоставление мощностей, следует учитывать, что кроме стационарных электростанций имеется большое число передвижных энергетических установок. Например, мощность всех действующих пассажирских самолетов на планете составляет не менее 0,15Х X Ю9 кВт, что соизмеримо с мощностью всех электростанций ЕЭС СССР (на начало 1985 г. составила 315000 МВт, или примерно 0,3-109 Вт). Стационарные электростанции даже при меньших мощностях оказывают заметное влияние на биосферу, так как продолжительность работы их в течение года больше. Так, большую тревогу вызывает загрязнение атмосферы, обусловленное эксплуатацией энергетических и других установок, и изменение ее газового состава, обусловленное сжиганием больших количеств органического топлива; загрязнение мирового океана; истребление лесов, затопление суши при сооружении гидроэлектростанций; тепловое загрязнение водоемов тепловыми электростанциями и общее изменение всего теплового баланса планеты. Очевидно, что планирование и проектирование энергетических систем, их развитие и эксплуатация должны осуществляться с учетом всех аспектов влияния на окружающую среду. А потому инженеру-энергетику необходимы знания о природе и происходящих в ней явлениях.

Как видно, гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ перед тепловыми электростанциями. Чем же вызвано тогда преобладающее в настоящее время строительство тепловых электростанций? Определяющими факторами являются размеры капиталовложений и время строительства электростанций. Капиталовложения на ТЭС и сроки их строительства, как видно из табл 1-13, где даны усредненные значения величин, значительно меньше, чем для ГЭС.

Каскад описан в данном примере как система. Однако совместно с тепловыми электростанциями, подстанциями и электрической сетью он составляет новую систему — энергетическую. При этом каскад ГЭС становится решающим элементом новой системы более высокого уровня и располагает с этого момента правами элемента, а не системы. Множественность, многофункциональность и взаимопревращение характерны для иерархического описания системы.

4.3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ТЕПЛОВЫМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ МЕТОДОМ НЕОПРЕДЕЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ ЛАГРАНЖА

4.4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ТЕПЛОВЫМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ ГРАДИЕНТНЫМ МЕТОДОМ

4.3. Распределение активной мощности между тепловыми электростанциями методом неопределенных множителей Лагранжа...........• 248

4.4. Распределение активной мощности между тепловыми электростанциями градиентным методом.....255

Как видно, гидроэлектростанции в отношении режимных параметров имеют ряд преимуществ перед тепловыми электростанциями. Однако в настоящее время преимущественно строятся тепловые и атомные электростанции. Определяющими факторами здесь являются размеры капиталовложений и время строительства электростанций.

Этого недостатка лишена четырехуровневая система 32, б, в которой генерация осуществляется за счет переходов между мета-стабильным уровнем 3 и незаселенным уровнем 2. Для выполнения этого условия частицы не должны переходить с уровня / на уровень 2 вследствие взаимодействия с тепловыми колебаниями решетки матрицы. При выполнении этого условия заселенность уровня 2 очень мала и эффект генерации наблюдается при малой интенсивности накачки. Четырехуровневую систему реализуют, используя в качестве активаторов ионы редкоземельной группы элементов периодической системы.

где ртепл — удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки: р„^т — удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов в кристаллической решетке.

Движение зарядов в полупроводнике под действием приложенного к нему внешнего электрического поля существенно отличается от движения зарядов в вакууме. Эти отличия определяются, во-первых, тем, что кроме внешнего электрического поля на заряды действует внутреннее электрическое поле кристаллической решетки полупроводника. Учесть воздействие этого поля на движение зарядов в полупроводниках можно введением в уравнения движения вместо массы покоящегося электрона т0 эффективной массы электронов тп к дырок тр, значения которых могут отличаться друг от друга и от то. Во-вторых, в отличие от электронов, движущихся «--вакууме без ^соударений и, следовательно, способных приобрести любую энергию, определяемую только пройденной разностью потенциалов, электроны в полупроводниках взаимодействуют с колебаниями атомов кристаллической решетки (фонолами), различного рода ее дефектами, с другими электронами и т. п. При этом происходит рассеяние электронов, в процессе которого они отдают энергию, приобретенную под действием внешнего поля, и изменяют направление движения. Отрезок пути, который проходит электрон (или дырка) между двумя 'Последовательными взаимодействиями, называется длиной свобод я ого пробега /п для электронов и 1р для дырок. Значение длины свободного пробега заряда в полупроводнике зависит от типа полупроводника, количества и характера примесей и дефектов кристалла, а также от температуры, При низких значениях температуры длина свободного пробега ограничивается примесями и дефектами, а при высоких — тепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки.

где pi—составляющая полного сопротивления, связанная с тепловыми колебаниями кристаллической решетки; Р2—составляющая, обусловленная рассеянием электронов на дефектах решетки.

В реальном диэлектрике, который характеризуется тепловыми колебаниями узлов решетки, наличием нейтральных или заряженных примесей и структурных дефектов, носители будут испытывать значительное рассеивание. Кроме того, 'носители заряда захватываются ловушками, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне. При этом образуется пространственный неподвижный заряд, снижающий величину тока.

где pi—составляющая полного сопротивления, связанная с тепловыми колебаниями кристаллической решетки; Р2—составляющая, обусловленная рассеянием электронов на дефектах решетки.

В реальном диэлектрике, который характеризуется тепловыми колебаниями узлов решетки, наличием нейтральных или заряженных примесей и структурных дефектов, носители будут испытывать значительное рассеивание. Кроме того, 'носители заряда захватываются ловушками, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне. При этом образуется пространственный неподвижный заряд, снижающий величину тока.

При этом пренебрегаем взаимодействием между частицами и тепловыми колебаниями, т. е. временами релаксации. Если в плоскости, перпендикулярной измеряемой индукции В, создать переменное высокочастотное поле с индукцией В', то, как известно, пульсирующее поле можно заменить двумя полями, вращающимися в разные стороны с частотой пульсирующего поля и с амплитудами индукции, равными половине амплитуды индукции пульсирующего поля. При синхронном вращении вектора В' с прецессией диполя, что достигается изменением частоты высокочастотного поля, на диполь будет действовать момент, стремящийся изменить угол г) между В и [i (см. 7.12, б). Равенство частоты прецессии и частоты вращения вектора В' будет свидетельствовать о наступлении резонанса; это явление получило название ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Резонанс может быть обнаружен по уменьшению амплитуды высокочастотных колебаний, обусловленному поглощением энергии ядрами вещества преобразователя; в этом случае метод называют ядерным резонансным поглощением. Наряду с этим используется и другой метод — ядерной индукции, когда в из-мерительной катушке, ось которой располагается перпендикулярно В и В', индуктируется э. д. с. резонансной частоты.

В металлах количество носителей заряда и их энергия практически не зависят от температуры. В полупроводниках количество носителей заряда значительно меньше, чем в металлах, однако их концентрация и энергия весьма сильно зависят от температуры. С ее повышением количество свободных электронов и дырок резко возрастает. Подвижность носителей заряда также изменяется с температурой. Например, подвижность носителей заряда, обусловленная рассеянием электронов тепловыми колебаниями решетки, ^ — Т ', где в монокристаллических полупроводниках показатель степени q лежит в в пределах от 1 до 3. Окисные полупроводниковые материалы обладают отрицательным ТКС. Монокристаллические полупроводни-

При наличии в образце с «шубниковской фазой» тока поперек магнитного поля (он называется транспортным током) этот ток будет взаимодействовать с магнитным полем, проникшим в область вихревых нитей. Под воздействием силы Лоренца вихри начнут двигаться, что вызовет диссипацию энергии.- При движении несверхпроводящей фазы (в области вихря) сквозь кристаллическую решетку будет происходить, в частности, рассеяние электронов тепловыми колебаниями решетки, т. е. обычный механизм электрического сопротивления. Таким образом, появление транспортного тока в сверхпроводнике, находящемся в смешанном состоянии, сопровождается выделением теплоты, что означает нулевое значение критического тока, разрушающего сверхпроводимость.

В современной теории электропроводности показано, что в идеальной кристаллической решетке электрический или тепловой поток, однажды возникнув, поддерживался бы бесконечно долго, т.е. делокализованные электроны создавали бы бесконечную проводимость, а время релаксации (среднее время свободного пробега электронов) оказалось бы бесконечным. Тот факт, что удельная электрическая проводимость конечна, обусловлен нерегулярностями решетки. Эти нерегулярности делятся на две основные категории. Одни связаны с тепловыми колебаниями, другие являются статистическими. Тепловые колебания решетки нарушают идеальную периодичность кристаллов. Искажения решетки рассеивают электроны, ограничивая длину свободного пробега конечным значением. С уменьшением температуры интенсивность рассеивания уменьшается, и так как ограничения, налагаемые статистикой Ферми, препятствуют рассеянию на нулевых колебаниях, то в области температур, близких к абсолютному нулю, проводимость ограничивается статическими дефек-