Введение 13
1 Обзор литературы 16
2 Объект и методы исследования 20
3 Расчет и конструирование элементов генератора импульсных токов 21
3.1 Принцип действия ГИТ 21
3.2 Расчёт и выбор элементов ГИТ 24
3.2.1 Расчёт и выбор емкостного накопителя энергии ГИТ 24
3.2.2 Расчёт и выбор зарядного устройства ГИТ 26
3.2.3 Расчёт и выбор системы коммутации ГИТ 29
3.3 Конструирование системы управления ГИТ 31
3.4 Конструирование электродной системы ГИТ 32
3.5 Анализ разрядного процесса в ГИТ 33
3.6 Получение экспериментальным способом параметров ГИТ 37
4 Результаты проведенного исследования 39
4.1 Порядок проведения эксперимента 39
4.2 Параметры полученной ШМ 40
4.3 Анализ влияния проводимости электролита на параметры ШМ 41
4.4 Анализ влияния полярности на параметры ШМ 46
4.5 Сопоставление результатов экспериментов с теоретическими
исследованиями и литературными данными 51
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 53
5.1 Инициации научного исследования 54
5.2 Потенциальные потребители результатов исследования 55
5.2.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 55
5.3 Планирование научно-исследовательских работ 57
5.3.1 Организационная структура НИ 57
5.3.2 Ограничения и допущения НИ 57
5.3.3 Матрица ответственности 58
5.3.4 План научного исследования 58
5.3.5 Планирование выполнения научно-исследовательских работ 59
5.3.6 Определение трудоемкости работ 60
5.4 Бюджет научного исследования 62
5.4.1 Расчёт материальных затрат 62
5.4.2 Основная заработная плата 62
5.5 Определение эффективности исследования 65
5.5.1 Оценка рисков научного исследования 65
5.5.2 Оценка сравнительной эффективности исследования 65
6 Социальная ответственность 68
6.1 Производственная безопасность 69
6.1.1 Повышенный уровень шума 70
6.1.2 Повышенное значение напряжения в электрической цепи 70
6.1.3 Повышенный уровень статического электричества 73
6.2 Экологическая безопасность 74
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 75
6.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 76
Заключение 7 8
Список использованных источников 79
Объектом исследования является искусственная шаровая молния.
Цель работы: получение физической модели искусственной шаровой
молнии.
В процессе исследования проводились расчеты, выбор и
конструирование элементов генератора импульсных токов, анализы разрядного
процесса, эксперименты по получению искусственной шаровой молнии,
анализы влияния проводимости электролита и полярности на параметры
шаровой молнии.
В результате исследования: выявлено влияние проводимости
электролита, влияние полярности, получены параметры искусственной
шаровой молнии.
Основные конструктивные, технологические и технико–
эксплуатационные характеристики: емкость конденсаторной батареи 300 мкФ,
зарядное напряжение 9 кВ.
Степень внедрения: существуют подобные установки по получению
искусственной шаровой молнии в России, Японии, Германии, США.
Область применения: изучениt в лабораторных условиях научно–
исследовательскими институтами, создание лабораторных стендов.
Экономическая эффективность/значимость работы: работа является
фундаментальным научным исследованием. Исследование является
целесообразным и ресурсоэффективным.
В будущем планируется продолжение экспериментов, нанося суспензии
на центральный электрод.
Выпускная квалификационная работа представлена на CD – диске.Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки
В данной работе применены следующие термины с соответствующими
определениями:
Шаровая молния (ШМ) – светящийся плавающий в воздухе огненный
шар, уникально редкое природное явление.
Емкостной накопитель энергии (ЕНЭ) – устройство, представляющее
собой батарею конденсаторов, заряжаемую от сети переменного тока через
выпрямитель.
Генератор импульсных токов (ГИТ) – установка с емкостным
накопителем энергии, служащая для получения импульсов тока порядка от 103 до
106 А.
Высоковольтный разрядник (ВР) – это устройство, обеспечивающее
коммутацию разрядной цепи импульсного генератора на нагрузку.
Плазмоид – ограниченная конфигурация магнитных полей и плазмы
преимущественно шарообразной формы, образующаяся, как правило, в
высоковольтных разрядах или под воздействием различного ионизирующего
излучения.
Лабораторный автотрансформатор регулируемый (ЛАТР) – вариант
трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки имеют не только
магнитную связь, но и электрическую.
Введение
Факт существования шаровой молнии долгое время был спорным.
Издревле шаровая молния расценивалась как мистическое явление, так как
очевидцы давали противоречивые данные о ней и наука не могла объяснить
природу данного явления.
Наблюдение является единственным источником информации о
шаровой молнии. Существуют более ста гипотез, появившихся за последние
100–150 лет, которые объясняют природу шаровой молнии. Причина
поразительного несогласия мнений является недостаточность фактического
материала, на котором основываются эти мнения. При таком обилии
взаимоисключающих гипотез трудно ожидать какого–либо прогресса и в
эксперименте.
Начиная со второй половины XX века, наблюдается резкое оживление в
исследовании шаровой молнии – в ряде стран созданы научные центры по
изучению ШМ, был проведен Международный симпозиум по шаровой молнии.
Проводимые в то время анкетные опросы в Советском Союзе и США,
значительно увеличили объем знаний о наблюдениях ШМ. Тщательное
анализирование наблюдений, позволило определить и сформулировать
определенные параметры этого явления. Хотя они и представляются
необычными и удивительными, но не противоречат законам физики [1, 2].
На основе статистического анализа были выявлены основные параметры
шаровой молнии.
Первые опыты и заявления по воспроизведению шаровой молнии в
лабораторных условиях уходят далеко в прошлое. В конце XIX века, в своих
заметках Тесла сообщает, что зажигая газовый разряд, при определённых
условиях, после выключения напряжения, наблюдется сферическое светящееся
образование диаметром 2–6 см. К сожалению, сведений и подробностей этого
эксперимента, Тесла не сообщал, так что с созданием этой установки есть
трудности.14
Первые полномасштабные исследования безэлектродного светящегося
разряда были проведены только в 1942 году. Советскому электротехнику
Бабату удалось внутри камеры низкого давления получить сферический
газовый разряд.
Капице Сергею Петровичу удалось получить сферический газовый
разряд в гелиевой среде при атмосферном давлении. Различные органические
соединения меняли цвет свечения и яркость.
В литературе [3–10] описаны схемы установок, на которых авторы
воспроизводимо, добивались получения плазмоидов, похожих на «природную»
шаровую молнию со временем жизни до 1 секунды.
Помимо воспроизведения шаровой молнии, существуют десятки гипотез
о природе шаровой молнии.
В данной работе, физическое моделирование шаровой молнии
осуществлялось с использованием генератора импульсных токов, с электродной
системой, подобной аналогам, описанных в литературе [3–10].
В настоящее время, исследование шаровой молнии является актуальной
проблемой фундаментальных научных исследований.
Объект исследования и предмет: объектом исследования является
искусственная ШМ. Предметом исследования является процесс формирования
плазменного образования и зависимости изменения тока и напряжения от
полярности импульса и сопротивления разрядного контура. Для физического
моделирования искусственной ШМ используется лабораторная установка –
ГИТ.
Научная новизна: для физического моделирования искусственной ШМ
была разработана лабораторная установка – генератор импульсных токов.
Сконструирована электродная система, система управления, лабораторный
автотрансформатор. Рассчитан и выбран емкостной накопитель энергии и
система коммутации. Рассчитаны паразитные параметры ГИТ.
Практическая значимость результатов ВКР: результаты ВКР могут
быть использованы в научных и практических целях научно–15
исследовательскими институтами – для изучения процесса образования
искусственной ШМ, создания лабораторного стенда для демонстрации
процесса. Также результаты могут быть использованы организациями,
занимающимися выставкой и демонстрацией научных достижений.
Реализация и апробация работы: результаты по теме ВКР были
представлены на:
– V Ежегодной научной конференции «Ресурсоэффективным
технологиям – энергию и энтузиазм молодых», 2014 год, г. Томск.
– III Международной научно-технической конференции молодых
ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие
технологии в современной науке и технике» , 2014 год, г. Томск.
– XIII Международной конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», 2016 год, г.
Томск;
– VII Ежегодной научной конференции «Ресурсоэффективным
технологиям – энергию и энтузиазм молодых», 2016 год, г. Томск.
Целью, данной выпускной квалификационной работы является
физическое моделирование искусственной шаровой молнии. Для получения
ШМ, использовался ГИТ. Были рассчитаны и выбраны: емкостной накопитель
энергии, зарядное устройство, система коммутации. Была сконструирована
электродная система и система управления ГИТ. Произведен анализ разрядного
процесса и получены экспериментальным способом параметры ГИТ: значение
индуктивности ГИТ составило 1,1 мкГн, значение активного сопротивления
ГИТ составило 11 мОм.
В результате серии проведенных экспериментов, была произведена
высокоскоростная видеозапись и были получены осциллограммы разрядного
тока и напряжения. Из анализа полученных снимков из видеозаписи, были
видны стадии развития ШМ – образование скользящего разряда и его
объемный рост. Получить округлый плазмоид не удалось. Это связано с тем,
что подводимой энергии было недостаточно.
Из анализа влияния проводимости электролита, было выяснено, что
при увеличении проводимости, амплитуда разрядного тока возрастает. Также
была определена оптимальная проводимость G 1.4 мСм
см
, при которой
начинает образовываться шарообразный плазмоид. Также с увеличением
проводимости уменьшается время жизни искусственной ШМ, при оптимальной
проводимости, время жизни t ≈ 130 мс.
Из анализа влияния полярности, по осциллограммам было выяснено,
что при положительной полярности, имеет место относительно долгое время
формирования стримеров и статическое время запаздывания разряда. При
отрицательной полярности, стримеры формируются быстрее и крутизна фронта
тока больше. После достижения током максимального значения, напряжение и
тока снижаются до нули, и энергия переходит в образующийся плазмоид.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
