«Катушка индуктивности - конденсатор».

Область техники.

Изобретение относится, к областям аккумулирования и стабилизации электроэнергии; сверхпроводящим приборам. Изобретение может быть применено при создании: мощных индуктивных накопителей и стабилизаторов энергии; сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии; сверхпроводящих установок различного назначения (в том числе: источников энергии, стабилизаторов, томографов, левитирующих транспортных систем, и других устройств, где может быть использовано явление сверхпроводимости).

Предшествующий уровень техники.

Из уровня техники известно, что катушки индуктивности способны аккумулировать и, в случае сверхпроводниковых катушек, длительное время сохранять энергию магнитного поля. Однако аккумулированию большого количества энергии препятствуют силы Ампера, возникающие в обмотке катушки и стремящиеся разрушить материал катушки. Одной из наиболее распространенных форм для сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (далее - «СПИНЭ») является форма тора. Указанная форма является энергоэффективной, позволяет сконцентрировать линии магнитного поля внутри тора. В то же время в обмотке такой формы возникают следующие силы Ампера: центробежная сила (далее - «ЦБС»), стремящаяся разорвать каждый виток; продольная сила (далее - «ПС»), стремящаяся вдавить соседние витки друг в друга; центростремительная сила (далее - «ЦСС») стремящаяся сжать внутреннюю поверхность тора к центру. Поэтому при создании современных СПИНЭ используются специальные технологии намотки для снижения указанных сил Ампера и/или создаются специальные мопщые и достаточно тяжелые фермы для внешней под держки СПИНЭ. Так в токийском институте технологий применяется специально рассчитанная «косая» намотка, при которой силы Ампера, балансируются, взаимно уравновешивая друг друга. При этом напряжения в обмотке не устраняются совсем, но существенно снижаются.

Из уровня техники известно, также, что удельная энергоёмкость СПИНЭ оценивается как, примерно, 40 кДж/кг. Применение новых технологических решений, уменьшающих, либо устраняющих напряжения в обмотке означало бы возможность создания более прочных катушек индуктивности и более энергоёмких СПИНЭ.

Раскрытие изобретения.

Задачей создания данного изобретения было проектирование устройства, которое могло бы выдерживать высокие токи, разрушающие обычные катушки индуктивности и, в связи с этим, могло бы аккумулировать высокую энергию магнитного поля.

Результатом использования данного изобретения будет, в частности, появление устройств, которые могли бы применяться областях накопления энергии, стабилизации уровня энергии в сетях.

Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения: - подобрать наиболее прочный материал для изготовления сердечника катушки, который находится на ее оси;

- подобрать диэлектрик, на который наматывается обмотка;

- рассчитать и изготовить обмотку, включая не только расчёт прочности материала, но и «геометрию» намотки;

Таким образом, сущностью изобретения является компоновка устройства, позволяющая обеспечить возникновение компенсирующих друг друга сил и давлений. В отличие от обычных катушек индуктивности в компоновке изобретения участвуют электроны, которые удаляются с сердечника изобретения и добавляются в обмотку. Поэтому в сердечнике появляется высокий положительный потенциал, а на обмотке - высокий отрицательный потенциал. Кроме того, сердечник начинает испытывать высокие разрывающие давления электрических сил (в отличие от обьшных катушек индуктивности, где на сердечник не действуют какие-либо давления), что и обусловливает необходимость применения для изготовления сердечника материалов повышенной прочности. В обмотке изобретения напротив давление магнитного поля уравновешено давлением электрического поля, в отличие от обмотки обычных катушек индуктивности, испытывающих только давление магнитного поля.

Катушка индуктивности - конденсатор может иметь форму тора и может быть, в принципе, создана путем:

- использования в качестве обмотки, сверхпроводящей проволоки (например на основе современных материалов с высокой температура перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO); з - использования в качестве формы, на которую наматывается обмотка полого тора из диэлектрического материала;

- использования в качестве сердечника наиболее прочного и легкого стержня, не являющегося сверхпроводником, например из сплава Локеллой или углеродного волокна.

- использования термостата, например, из алюминия, наполненной жидким хладагентом (например, жидкий азот, гелий, водород), в которую погружен тор.

Как уже упоминалось ранее, энергоёмкость современных СПИНЭ ограничивается требованиями к системам поддержки для предотвращения повреждения обмотки силами Ампера. Предлагается предварительно создавать в сердечнике, описанном выше, высокий положительный потенциал. Далее, предлагается постепенно запитывать обмотку током, например, в следующем порядке. К разомкнутой обмотке подводится внешнее магнитное поле, после этого она замыкается. Так как в сердечнике создан положительный потенциал, напряженность электрического поля снаружи не заземленной обмотки не будет равна нулю (положительные заряды располагаются по наружной поверхности обмотки). Если к обмотке присоединить сверхпроводящим проводом отрицательный заряженный объект (или отрицательный полюс источника питания), то на каждый электрон в этом объекте будет действовать сила, равная qE, где Е - суммарная напряженность электрического поля, создаваемая как иными отрицательными зарядами этого объекта, так и полем, создаваемым системой сердечник/обмотка вовне, a q - заряд электрона. Эта сила будет заставлять электроны двигаться из объекта в сторону обмотки. Как только они окажутся в обмотке, они будут равномерно распространяться по всей обмотке, выравнивая потенциал. Затем внешнее магнитное поле постепенно устраняется. По мере устранения внешнего магнитного магнитного поля, ток в обмотке будет возрастать. Возможны и другие варианты запитывания. Допустим, сверхпроводящая обмотка разомкнута. В сердечнике в постепенно создается высокий положительный потенциал (например, с помощью генератора Ван де Граафа). Когда между обмоткой и сердечником возникает электрическое поле, оно поляризует диэлектрик, на который намотана обмотка. Таким образом, ближайший к обмотке слой диэлектрика оказывается заряжен положительно. Часть электронов обмотки покидает ее и оказывается в очень узком пространстве (шириной порядка ангстрема) между диэлектриком и обмоткой, у поверхности диэлектрика (как обычно и происходит в конденсаторах). Тем не менее эти электроны притягиваются и к обмотке так называемыми силами изображения (силы притяжения сторонних зарядов к индуцированным зарядам, которые значительны и превышают силы отталкивания на очень малых расстояниях от поверхности даже одноименно заряженного проводника). Далее, разомкнутая обмотка подключается к источнику питания, и в ней появляется электрический ток, потом обмотка замыкается через сверхпроводящий диод, а источник питания отключается. Далее сверхпроводящий диод может быть шунтирован участком обычного сверхпроводника и изъят из схемы обмотки.

В случае отсутствия диэлектрика между обмоткой и сердечником, электроны, которые покидают обмотку в результате полевой эмиссии будут возвращаться в нее магнитным полем. Однако, необходимо отметить, что в этом случае возникнут потери энергии на излучение электронов, движущихся между обмоткой и сердечником в вакууме. Таким образом наличие диэлектрика между обмоткой и сердечником не является необходимым условием функционирования устройства, но желательно.

Если обмотка не сверхпроводящая, а имеет достаточно низкое сопротивление, описанные варианты процессов будут теми же (но без образования куперовских пар и с постепенным затуханием тока в обмотке).

Ток в обмотке создаёт магнитное поле внутри обмотки. Это поле никак не влияет на положительно заряженный сердечник (так как заряды в нем покоятся), но на куперовские пары, движущиеся в обмотке, действуют центробежные силы Лоренца (сумма которых является силой Ампера, действующая на обмотку). Силы Лоренца не действуют на неподвижные ионы обмотки. В случае, если бы количество отрицательных зарядов (электронов) в обмотке было бы равно количеству положительных зарядов (ионов) в обмотке, электростатическое поле, создаваемое положительно заряженным сердечником, не создавало бы сил, действующих на обмотку в целом.

Пользуясь формулами для давлений электрического и магнитного полей можно определить условия равновесия обмотки катушки индуктивности. Как известно, давление электрического поля в конденсаторе (которым можно приблизительно считать систему из отрицательно заряженной обмотки и положительно заряженного сердечника) определяется по формуле: Ε ² εο/2 (где Е - напряженность электрического поля, εο - диэлектрическая постоянная). Давление магнитного поля определяется как: Β ² /2μο (где В - индукция магнитного поля, μο - магнитная постоянная). Для равновесия давлений в обмотке имеем: Ε εο 2 = Β72μο.

Пусть целевое значение магнитной индукции равно 90 Тл. Тогда требуемое значение напряженности электрического поля: Е = Β/(μο8ο) ^{1 2} = 1,9* 10 ¹⁰ В/м. Известно, что в случае использования высоких напряженностей электрического поля (порядка 10 В/м) в вакууме обычно возникает полевая эмиссия. При этом, пробоя между соседними, одноименно заряженными витками быть не должно, и они могут не иметь дополнительной изоляции. Для предотвращения полевой эмиссии между обмоткой и сердечником в описываемом устройстве может служить форма, на которую наматывается обмотка. Расположение между обмоткой и сердечником материала с высокой электрической прочностью и с высокой диэлектрической проницаемостью устраняет риск полевой эмиссии при высоких напряженностях электрического поля. Эти материалы достаточно распространены и различны по составу. Известно, например, что некоторые современные керамики (LSNO) имеют высокое значение диэлектрической проницаемости (около 10 ⁶ ) и высокое значение электрической прочности (около 10 ⁸ В/м). Техническим результатом применения изобретения будет являться создание таких устройств, которые будут способны:

- проводить электрический ток, больший тока, который проводят катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;

- накапливать энергию магнитного поля, большую той, которую накапливают катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;

- накапливать энергию электрического поля;

- стабилизировать токи, большие токов, которые стабилизируют катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс.

Краткое описание чертежей.

К описанию не прилагается фигур. Варианты осуществления изобретения.

Изобретение может быть материализовано путем выбора сверхпроводника, для материала обмотки, с определенными параметрами. Существует большое количество материалов (только металлов 27 (олово, свинец, титан, ... ), ряд сплавов, керамик, и даже сероводород), которые переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах и обладают различными иными свойствами. Подбирается хладагент, необходимый для охлаждения данного вида сверхпроводника и специальная ёмкость для сохранения низкой температуры хладагента. Если же достижение необходимой низкой температуры осуществляется иным способом (например, с помощью фазовых переходов, расширением газов и паров, термоэлектрическим эффектом, десорбцией газов, адиабатическим размагничиванием парамагнетиков), то, применяется соответствующая установка для охлаждения обмотки. Также, в зависимости от целей устройства, рассчитываются размеры катушки и сердечника, рассчитьшаются и создаются необходимые напряжение между обмотками и сердечником и сила тока в обмотке.

(1) Сердечник с круглым сечением в катушке индуктивности - конденсаторе может быть выполнен из не сверхпроводящих материалов, например из сплава Локеллой или углеродного волокна. Сердечник удерживается на оси катушки. Может быть в форме кольца, если катушка в форме тора.

(2) Обмотка из сверхпроводящей проволоки (например на основе современных материалов с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO). Обмотка намотана на форму. И форма и обмотка погружены в хладагент.

(3) Форма, на которую наматывается обмотка полого тора из не сверхпроводящего материала (например, из стеклопластика марки АГ-4В или другого диэлектрика с высокой электрической прочностью и высокой диэлектрической проницаемостью).

(4) Ёмкость в которой находится хладагент, выполнена из прочного материала, например из тонкой стали, имеет двойные стенки, между которыми находится вакуум. Ёмкость может герметично запираться.

(5) В качестве хладагента используется жидкий газ, например азот или гелий. Хладагент находится внутри ёмкости, в хладагент помещены форма, обмотка, и сердечник.

Ёмкость (4) заполняется хладагентом (5). При этом обмотка (2), намотанная на форму (3) переходит в сверхпроводящее состояние. Избыточный положительный заряд создается в сердечнике (1), находящемся внутри формы с обмоткой. В обмотку (2) наводится электрический ток, при этом количество электронов в обмотке превышает количество положительно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки обмотки. В результате силы Ампера (и давления ими создаваемые) действующие на участки обмотки, уравновешиваются силами электрического притяжения (и давлениями ими создаваемыми), возникающими между участками обмотки и сердечником и силами отталкивания между отдельными витками обмотки. В результате обмотка выдерживает электрический ток, более высокого номинала, чем в обмотка в обычных сверхпроводян х катушках индуктивности. Таким образом, изобретение «Катушка индуктивности конденсатор» позволяет создать целый класс устройств которые способны накапливать энергию магнитного и электростатического поля, большую, чем обычные катушки индуктивности, в случае использования в качестве накопителя энергии, а также стабилизировать больший электрический ток в случае применения в системах системах стабилгоации электроэнергии.

Промышленная применимость.

Катушка индуктивности-конденсатор может использоваться гражданами, организациями, государственными органами для выполнения различных задач: аккумулирование электроэнергии, стабилизация электроэнергии, создание сильных магнитных полей и т.д..

ю