История ядерного оружия: от теоретической физики до больших взрывов

Загвоздкин Н.Д

курс, философия, группа 1

Вступление

Выбор данной темы обусловлен исключительной значимостью открытия ядерного оружия как внутри самой науки, так и вне нее.

Внутри науки разработка ядерного оружия была связана с углублением понимания атомного мироустройства, с развитием как теоретической, так и прикладной физики. Создание ядерного оружия является, с одной стороны, иллюстрацией огромного рывка этой науки за период конца XIX - XX века, а с другой стороны, и есть суть этого самого рывка. Открытия в разных сегментах физики ускоряли ядерные проекты и наоборот, ядерные проекты давали материал для исследований в неядерных областях физики.

Из-за тесной связи прогресса в целом и истории непосредственно ядерного оружия, исторический обзор разработки ядерной бомбы будет начат не с собственно ядерных программ, а с рывка атомной физики, который заложил предпосылки для создания ядерной бомбы. Хотя в данном реферате мы будем касаться исключительно тех моментов, которые тем или иным способом связаны с ядерным оружием, вся физика в целом совершила огромный шаг вперед в те годы.

Вне науки создание атомной бомбы раз и навсегда изменило и область межгосударственных отношений, и психологию людей, ведь появилось оружие невообразимой мощи, угроза которого нависала (нависает?) над каждым. Ядерная бомба предоставила ещё один потенциально возможный путь для человечества - путь полного уничтожения.

Таким образом, можно заключить, что изобретение ядерной бомбы является, возможно, самым значимым открытием всего XX века, таково пестрого в плане развития науки.

1. Рывок в атомной физике

В 1896 году французский физик Беккерель А. А. открыл естественную радиоактивность. Исследования в этой области продолжили Мария и Пьер Кюри. Им принадлежит открытие целого ряда радиоактивных элементов - полония, радия, обнаружение радиоактивности тория. Надо сказать, что к тому времени становится понятно, что теоретически может существовать ранее неизвестный источник огромной энергии, и это, несомненно, лишь подогревало интерес в научном мире.

В 1905 году Эйнштейн сформулировал свою концепцию эквивалентности массы и энергии, выразимой широко известной формулой ; таким образом, ученый констатировал, что из небольшого количества вещества можно получать огромное количество энергии.

На тоже время приходится деятельность гениального физика Резерфорда. Позднее, в 1919 г. Э. Резерфорд совершил первое искусственное деление ядер: он провел опыт, в ходе которого атом азота был искусственно преобразован в атом кислорода. Несмотря на то, что природа многих явлений, также как и устройство атома, оставались для науки загадкой, даже предположение возможности подобных манипуляций создало колоссальный резонанс в научных кругах. Еще бы, ведь этот факт необычаен в том числе и с точки зрения психологии и философии - изменение лишь числа электронов вызывает качественное изменение самого вещества, приводит к кардинальному изменению его свойств.

В 1921 году Отто Ган открыл ядерную изомерию (7), что является важным шагом в ядерной физике, так как становится очевидно, что не только количество, но и порядок элементарных частиц важен.

Знания о структуре атома расширялись год от года. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, за что впоследствии получил Нобелевскую премию. В этом же году в Англии Уолтон и Кокрофт впервые использовали ускоритель протонов для расщепления ядра лития на 2 альфа-частицы. Произошедшее в ходе опыта выделение большого количества энергии объясняет появившееся тогда же понятие дефекта массы (возникает в результате преобразования некоторой части массы ядра в энергию в процессе распада ядра) и напрямую соотносится с вышеупомянутой формулой Эйнштейна.

Одновременно с Чедвиком, "за выполненный синтез новых радиоактивных элементов" Нобелевской премии были удостоены исследователи Жолио-Кюри. Их химический опыт обнаружил возможность искусственной радиоактивности, когда путем облучения альфа-частицами тяжелых ядер достигается распад, сопровождающийся испусканием позитронов. "Таким образом, в настоящей работе удалось впервые при помощи внешнего воздействия вызвать у некоторых атомных ядер радиоактивность, которая сохраняется в течение измеримого времени в отсутствие вынуждающей причины".

Однако не только ускорение, но и замедление частиц способно принести положительные результаты. Э Ферми доказал это открытием ядерных реакций, вызванных замедленными нейтронами. (Нобелевская премия 1938 г.) разница состоит в том, что в случае ускорения заряженных частиц высокая скорость позволяет им преодолеть барьер электростатического отталкивания. В случае же с нейтронами необходимо противоположное, так как существует притяжение между протоном и нейтроном, которое действует, однако, в пределах размеров ядра.

В ходе научных опытов Ферми, путем облучения замедленными нейтронами урана (м.238) был получен новый элемент с массовым числом 239 и зарядом 93, то есть произошло испускание электрона. Такой способ получения элемента был назван бета-распад.

Впоследствии, путем химических экспериментов Гана и Штрассмана, данный элемент был установлен как эквивалент барию (заряд 56).

Из работ Астона известно, что заряд нуклона в ядре урана составляет 7,6 МэВ. При заряде нуклонов элементов ~50 (напр. барий), энергия равна 8,5 МэВ. Тогда, энергия, высвобождающаяся при бета-распаде урана (235) составляет ΔE=(8,5-7,6) МэВ * 235 = 200 МэВ.

Таким образом, было не только доказан, но и посчитан тот колоссальный потенциал, который скрыт в тяжелых ядрах. Уран, будучи на тот момент последним элементом таблицы Менделеева, являлся наиболее подходящим элементом для получения огромного количества энергии в процессе распада. Поэтому он стал основным топливом для нового оружия.

2. Ядерная гонка. Германия - США - СССР

ядерный оружие бомба поражающий

С этого момента я считаю необходимым перейти к следующему параграфу реферата и рассматривать дальнейшее развитие атомной физики в призме исторической гонки. Причина заключается в дипломатических и политических реалиях 30-х, а затем и 40-х годов: отношения между западными странами и СССР накалены, в Германии к власти приходят агрессивно настроенные нацисты во главе с Гитлером, бушует Вторая Мировая война. Атомная физика за первые декады века уже доказала свою перспективность, и ею заинтересовались в большой политике. Поэтому неправильно игнорировать соревновательный элемент в дальнейшем повествовании. Вместе с тем, многие ученые старались взаимодействовать в меру своих сил, ибо большая наука интернациональна, она принадлежит человечеству. (например, сотрудничали Лиза Мейтнер и Отто Фриш, будучи по разные стороны баррикад - первая в Австрии, второй в Англии).

Исследования этого времени можно разделить на практические (непосредственно ядерные проекты стран) и теоретические (например, капельная модель ядра Бора (8), созданная в первой половине 30-х).

ГЕРМАНИЯ:

Власти Германии, пожалуй, первые осознали, что, говоря словами физика Хартека, "та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретёт абсолютное превосходство над другими". Стартовал "Урановый проект" (Uranprojekt Kernwaffenprojekt), разработку вели десятки организаций, включая Гамбургский и Лейпцигский университеты. Велись активные исследования многими немецкими физиками (Хартек, Дибнер, Эзау), использовался государственный ресурс для форсирования разработки. Контрразведка бдительно охраняла все, что было связано с ядерной физикой. Строилась инфраструктура (например, промышленные установки по разделению изотопов).

Немецкий проект был одним из самых успешных и прогрессивных, однако было множество осечек. Первая установка по разделению изотопов, основываясь на методе Клузиуса-Диккеля (11), не дала необходимый результат, расчеты физиков зачастую оказывались неверными, и выяснялось это через месяцы, когда на реализацию их планов было потрачено уже значительное количество денег, времени и сил.

К 1942 году был построен первый немецкий реактор, на котором в скором времени произошел взрыв. Его причины остаются открытым вопросом.

Германия старалась создать ядерную бомбу изо всех сил, но фронтовые реалии предрекали скорый закат Третьего Рейха. 1943 - конец коренного перелома на Восточном фронте. 1944 - "десять сталинских ударов", СССР восстанавливает восточную границу, союзники открывают второй фронт во Франции. В начале 1945 года бои переносятся на территорию Германии. Продвижение советских войск срывает последние разработки.

Экспериментальный реактор был перевезен в южную Германию, где совершались последние опыты. 23 апреля он был захвачен американскими войсками. Ядерной программе Германии был положен конец.

В 30-ые годы в США создается первый циклотрон (9) - универсальный инструмент для исследования в области атомной физики. (к слову, строительство второго циклотрона началось в тот же год, когда был закончен первый циклотрон, и было это в СССР в Радиевом институте в Ленинграде)

В конце 30-х - начале 40-х году бежавший от режима Муссолини итальянец Ферми доказал возможность цепной атомной реакции, а в 1942 году при участии того же Ферми был построен реактор "Чикагская поленница-1" - первый в мире ядерный реактор с коэффициентом размножения нейтронов (10) больше единицы. В том же году стартовал Манхэттенский проект, грандиозная программа по разработке ядерного оружия. Колоссальные финансовые и людские ресурсы были мобилизованы. Значительный толчок проект давали бежавшие от тоталитарных режимов или плененные ученые, а также документы, захваченные разведкой или в ходе военных операций.

В результате активной работы, в США впервые в истории была создана ядерная бомба, а точнее, целых три - 2 бомбы ("Тринити" и "Толстяк") на плутонии-239 и 1 бомба ("Малыш") на уране-235. (12) 16 июля 1945 года в штате Нью-Мексико на полигоне Аламогордо прошли первые в истории испытания ядерного оружия.(бомба "Тринити"), которые увенчались успехом.

В августе 1945 года ядерное оружие единственный раз за всю историю было применено на людях. 6 августа бомба "Малыш" была сброшена на японский город Хиросиму, а 9 августа бомба "Толстяк" - на Нагасаки. Десятки тысяч людей погибли в мгновение, тысячи людей получили лучевую болезнь разной тяжести. Оба города лежали в руинах. Японский дух был сломлен, 15 августа года империя восходящего солнца объявила о своей капитуляции.

До сих пор остается открытым вопрос о целесообразности атомной бомбардировки. Одни заявляют, что это было необходимо, так как вторжение в Японию (Операция "Даунфолл") унесло бы намного больше жизней. Другие утверждают, что бомбардировка - военное преступление, так как военной необходимости не было, поскольку, Япония уже держалась из последних сил, и использование атомного оружия имело своею целью лишь продемонстрировать мощь США перед СССР.

Штаты сохранили ядерную монополию до 1949 года. В течении этих 5 лет, нанеся американцы ядерный удар по СССР, мы не смогли бы им ничем ответить. Такие планы действительно были (план "Дропшот": 300 ядерных ударов по 100 советским городам, гибель около 60 млн. человек), однако до реализации их дело не дошло.

Советский Союз старался не отставать от других сверхдержав в области создания ядерного оружия. Работы велись в Радиевой институте (Ленинград), ЛФТИ (Ленинградский физико-техническом институте), в московском Институте химической физики и в других научных центрах. Активно велись теоретические изыскания (Хлопин, Мысовский, Перфилов и другие). В 1940 Флеров и Петржак открыли спонтанное деление ядер урана (без искусственной бомбардировки).

В 1941-42 году разведка докладывала о том, что интенсивные проекты по созданию ядерного оружия ведутся за рубежом. Эти данные, а также исследования советских специалистов показывали, что ядерная бомба может быть создана ещё до конца войны и, следовательно, повлиять на её исход.

сентября 1942 года вышло постановление ГКО "Об организации работ по урану". Это было своеобразным ответом начавшемуся в США Манхэттенскому проекту. В 1943 году начались практические работы. Была создана Лаборатория № 2 АН СССР, которую возглавил великий физик, "отец" советской ядерной бомбы Курчатов. Также надо отметить вклад выдающегося советского конструктора Харитона. После разгрома Германии, хотя США старались воспрепятствовать попаданию в руки Советского союза любых результатов немецких исследований (т.е. Штаты забирали себе даже то, что им было не нужно), все же некоторые достижения Рейха попали в руки СССР, что ускорило советскую программу. Были захвачены многие немецкие ученые, впоследствии вынужденные работать на советскую ядерную бомбу. (например, Риль и Фольмер построили установку по производству тяжелой воды (13)) Активно работала разведка на территории США. Создавались целые промышленные комплексы для обеспеченья ядерного проекта топливом, а также Закрытые Административные Территориальные Образования (Арзамас-16, современный Саров, в который во второй половине 40-х и переносится эпицентр разработки).

По мере развития событий курирование атомного проекта взял на себя Берия, "второе лицо" государства.

год - начало строительство на Урале завода для получения урана-235 и предприятия по получению плутония-239 (ядерное топливо).

год - при Лаборатории №2 пущен первый в СССР ядерный реактор, Ф-1.

год - запущен первый радиохимический завод под Челябинском.

августа 1949 года на специально построенном Семипалатинском полигоне были произведены испытания советской ядерной бомбы (РДС-1, ядерное топливо - уран-235) СССР стал ядерной сверхдержавой.

августа 1953 года была взорвана РДС-6 - первая в мире термоядерная бомба (часто называется водородной бомбой).

октября 1961 года на Новой Земле были проведены испытания самой мощной ядерной бомбы в истории человечества - АН602, также известной как "Царь-Бомба". Её взрывная мощь была порядка 57 мегатонн в тротиловом эквиваленте (для сравнения, "Толстяк", сброшенный на Нагасаки, имел мощность 21 килотонна в тротиловом эквиваленте). Ядерный гриб достиг высоты в 67 километр, звуковая волна дошла до острова Диксон, который находился на расстоянии в 800 км от точки испытаний, были зафиксированы случаи, когда люди чувствовали взрыв, находясь на расстоянии в тысячи километров от полигона. Ударная волна (о ней см. ниже) три раза обошла земной шар. Помимо чисто научных наблюдений и приобретения конструкторского опыта, испытания были призваны продемонстрировать США всю мощь советской ядерной дубинки.

3. Современный статус ядерного оружия

Несмотря на то что этот пункт не имеет прямого отношения к истории ядерного оружия, его необходимо обрисовать в общих словах для логического завершения исторического экскурса.

Всю вторую половину века, вплоть до наших дней, в ходе гонки вооружений структурные элементы ядерных бомб совершенствовались, повышалась мощность, улучшались носители и разрабатывались новые средства доставки.

Широко известное клише "ядерный клуб" является неофициальным, никакой особой организации не существует. Членов "клуба", т.е. стран, обладающих мощью ядерного оружия, можно разделить на две группы - "старых" и "новых".

К "старым" относятся, помимо США и РФ (как преемницы СССР), Англия (с 1952), Франция (с 1960) и КНР (с 1964). "Старых" членов также называют "легитимными", т.к. они подписали Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), цель которого поставить прочную преграду на пути расширения "клуба" - имеющее оружие страны обязуются никому его не передавать и не помогать в разработке. По факту, этот договор подписан почти всеми странами мира - кроме "новых" членов, а именно - Индии (ядерное оружие с 1974), Пакистана (с 1998) и КНДР (с 2006). Кроме того, есть масса оснований полагать, что четвертое государство, не подписавшее договор - Израиль - также обладает ядерным оружием. (инцидент Вела - 1979, американский спутник регистрирует вспышку, характерную для ядерного взрыва, над Южной Атлантикой)

ЮАР под международным давлением свернула ядерную программу и уничтожила все 6 созданных зарядов. Отчасти это было вызвано крахом политики апартеида (расовой сегрегации), когда новые демократические власти желали создать стране новый имидж в глазах мирового сообщества.

По договоренностям 90-х годов, бывшие советские республики, а ныне суверенные государства, Украина, Беларусь и Казахстан передали все имеющихся на их территории ядерные боеголовки РФ как преемнице СССР.

В свое время обвинения в обладании ядерным оружием предъявлялись Ираку правительствами США, Великобритании и других стран. Это был одновременно повод для вторжения и средство формирования антииракского общественного мнения.

Долгое время Иран обвинялся в обладании ядерным оружием, однако позже официальным Вашингтон отказался от обвинений. Тем не менее, до сих пор существует очень много мнений относительно иранской ядерной программы (от "выдумок запада" до "национальной идеи Ирана").

Многие нелюбимые западом страны обвиняются в обладании или попытках создать ядерное оружие, например, Сирия и Мьянма (Бирма).

В принципе, при должных научных и производственных возможностях, ядерное оружие может создать любая страна, уже имеющая ядерный реактор. Среди стран, имеющих вполне реальную возможность обзавестись ядерным оружием, можно назвать Бразилию, Саудовскую Аравию, Южную Корею, Канаду, Германию, Японию и другие.

Контроль за распространением ядерного оружия, недопущение его попадания в руки террористических и радикальных группировок, а также стран-агрессоров, стран на грани гражданских войн, стран, руководимых воинственными лидерами, важно для предотвращения третьей мировой войны, обеспеченья достойных условий жизни людей, охраны фундаментальных прав человека.

Вместе с тем приходится констатировать, что в этой области существует целый спектр проблем - в мире есть несколько откровенно опасных ситуация (например, ядерная держава Пакистан: часть территорий этой страны контролируется террористическими группировками, а отношения Пакистана с другой ядерной державой, Индией, не являются добрососедскими).

Однако куда более значимая проблема заключается в логической дилемме - как в мире с ядерным оружием спасти мир от ядерной войны.

Первый подход подразумевает полное разоружение, однако это, по понятным причинам, идеализм чистой воды - в мире прагматичной дипломатии такие мастодонты как США, РФ, КНР и прочие члены ядерного клуба не будут отказываться от ядерных дубинок. Руководство СССР предлагало Вашингтону полное разоружение к 2000ому году, однако это скорее была попытка уравнять возможности рушащегося Союза и крепко стоящих на ногах Штатах.

Второй подход подразумевает частичное разоружение и/или ограничение оружия. На это были направлены многие договоры СССР (РФ) и США во время холодной войны - ОСВ-I, ОСВ-II, СНП, три договора СНВ и т.д. По всей видимости, этот подход и будет доминирующим в ближайшее время - в "Военной доктрине Российской Федерации" от 21 апреля 2001 года значится, что РФ "готова к дальнейшему сокращению своего ядерного оружия на двусторонней основе… до минимальных уровней, отвечающих требованиям стратегической стабильности"; "сдерживание будет основываться на …. способности в ответных действиях нанести ущерб, размеры которого поставили бы под сомнение достижение целей возможной агрессии".

Этот подход, с одной стороны, отвечает интересам национальной безопасности, а с другой, не провоцирует ресурснозатратную гонку между странами.

Третий подход основан на гарантии взаимного уничтожения странами друг друга в ситуации военно-стратегического паритета, на возможности ответного удара такой же мощи.

Четвертый подход основан на достижении ситуации большой разницы между первым ударом и вторым, т.е. на том, чтобы значительно обогнать врага по количеству зарядов и сделать невозможным "массированное возмездие" - ответный удар разрушительнее первого. Это подразумевает постоянную форсированную ядерную гонку.

Третий и четвертый подходы пропитаны духом холодной войны, являются крайне агрессивными по своей сути. Они практиковались США и СССР на протяжении второй половины XX века.

Вопрос о том, как обеспечить мир между ядерными державами до сих пор остается актуальным.

Ударная волна - движущаяся в газовой среде плоскость, в которой давление, плотность и температура испытывают скачок. В случае с ядерный взрывов плоскость движется со сверхзвуковой скоростью - более 350 м/с. За пределами плоскости все эти физические параметры снижаются, при чем ближе к точке взрыва, тем больше. Непосредственно в самом эпицентре давление и плотность воздуха приближаются практически к вакууму.

Ударная волна разрушает здания, сооружения и поражает незащищенных людей, а близко к эпицентру наземного или очень низкого воздушного взрыва порождает мощные сейсмические колебания, способные разрушить или повредить подземные сооружения и коммуникации, травмировать находящихся в них людей.

Энергия распределяется по всему пройденному расстоянию, из-за этого сила воздействия ударной волны обратно пропорциональна кубу расстояния от эпицентра.

Средством защиты от ударной волны являются убежища (как подземные, так и наземные).

Световое излучение - поток энергии, включающий видимую область спектра, а также два соседствующих с ним сегмента - ультрафиолетовый и инфракрасный свет. Источником светового излучения является светящаяся область (шар при воздушном взрыве и полусфера при наземном) взрыва - нагретые до высоких температур (5500 - 7700 градусов по Цельсию) элементы боеприпаса, грунт и воздух.

При этом интенсивность излучения (количество энергии, переносимое волной) может превышать 1000 Вт/см² (для сравнения - максимальная интенсивность солнечного света 0,14 Вт/см²).

Результатом действия светового излучения может быть воспламенение и возгорание предметов, оплавление, обугливание, большие температурные напряжения в материалах.

При воздействии светового излучения на человека возникает поражение глаз и ожоги открытых участков тела, а также может возникнуть поражение и защищенных одеждой участков тела.

Защитой от воздействия светового излучения может служить непрозрачная преграда из особых устойчивых материалов, а также искусственные задымления.

Проникающая радиация - гамма-излучение и поток нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва в течение единиц или десятков секунд.

Радиус поражения проникающей радиации при взрывах в атмосфере меньше, чем радиусы поражения от светового излучения и ударной волны, поскольку она сильно поглощается атмосферой. (отсюда, кстати, следует, что в космосе, где отсутствует атмосфера, проникающая радиация наряду с электромагнитным импульсом (см. ниже) - основной поражающий фактор) Проникающая радиация поражает людей только на расстоянии 2-3 км от места взрыва, даже при больших по мощности зарядов.

Тем не менее, ядерный заряд может быть специально сконструирован таким образом, чтобы увеличить долю проникающей радиации для нанесения максимального ущерба живой силе - так называемое нейтронное оружие, конструкция которого позволяет сделать так, что потоки нейтронов будут составлять до 80% энергии.

Проникающая радиация вызывает изменения как в приборах за счет нарушения кристаллической решетки вещества, так и наносит ущерб живой силе противника (людям) за счет нарушения процессов в клетках.

Большую сложность представляет защита от данного фактора. От гамма-излучения хорошо защищают материалы с высокой атомной массой (то же железо), но эти элементы очень плохо ведут себя под нейтронным излучением: нейтроны относительно хорошо их проходят и при этом делают саму защиту радиоактивной.

Нейтронное излучение в свою очередь хорошо поглощается материалами, содержащими лёгкие элементы (водород, литий, бор), которые рассеивают нейтроны, однако такие элементы не дают защиты от гамма-излучения.

Таким образом, идеального однородного защитного материала от всех видов проникающей радиации нет, для создания максимально лёгкой и тонкой защиты приходится совмещать слои различных материалов, являющихся защитой против нейтронов и гамма-излучения. Примером может служить современная многослойная броня танков, а также материалы с добавками - специальные смеси бетона, содержащие и водород против нейтронов, и тяжелые элементы против гамма-излучения.

Электромагнитный импульс - сильнейшее переменное электромагнитное поле, которое возникает при ядерном взрыве в результате сильных токов в ионизованном (14) радиацией и световым излучением воздухе возникает сильнейшее переменное электромагнитное поле (15), которое не оказывает никакого влияния на человека, однако повреждает электронные приборы и линии электропередач. Кроме того, большое количество ионов, возникшее после взрыва, препятствует распространению радиоволн и работе радиолокационных станций, благодаря чему нарушается взаимодействие войск противника.

Под воздействием электромагнитного импульса во всех проводниках появляется высокое напряжение.

Что интересно электронные лампы не подвержены воздействию сильной радиации и электромагнитных полей, поэтому они длительное время продолжали применяться военными.

Защита от электромагнитного импульса достигается экранированием (16) линий энергоснабжения и аппаратуры.

Радиоактивное заражение - результат выпадения значительного количества радиоактивных веществ. Три основных источника радиоактивных веществ в зоне взрыва:

продукты деления ядерного горючего

не вступившая в реакцию часть ядерного заряда

радиоактивные изотопы, образовавшиеся в грунте и других материалах под воздействием нейтронов (так называемая наведенная радиоактивность - радиоактивность в результате бомбардировки нейтронами и различными излучениями; ядра теряют стабильность,и начинается радиоактивное излучение).

Логично, что плотность заражения в районе взрыва убывает по мере удаления от центра взрыва, однако не равномерно - движимые ветром радиоактивные вещества не дают сформироваться строго симметричному узору заражения. В связи с естественным процессом распада,радиоактивность уменьшается, особенно резко это происходит в первые часы после взрыва.

Радиоактивные продукты взрыва испускают три вида излучения: альфа, бета и гамма, которые вызывают поражения разной степени тяжести у живых организмов, вплоть до лучевой болезни и летального исхода.

Существуют теоретические разработки так называемого "грязного оружия", где именно этот фактор поражения является ключевым, а остальные уменьшены. Такое оружие мало пригодно для боевых действий (не дает мгновенного результата), но способно превращать огромные пространства в непригодные для жизни и ведения хозяйственной деятельности, разрушать экологическую среду, в долговременной перспективе демобилизовать живую силу противника и гражданское население.

Альфа-излучение в большинстве своем не способно преодолеть верхние слои кожи и одежду, однако представляет опасность, если вместе с пищей или водой попадет в организм.

Бета-излучение в большинстве своем может быть поглощено несколькими миллиметрами алюминия или несколькими сантиметрами кожи.

Для защиты от гамма-излучения может потребоваться плотный материал, содержащий тяжелые ядра.

Принесенные разрушения могут стать причиной вторичных поражающих факторов (аварии на техногенных предприятиях, очаги крупных пожаров, лишение источников пищи и питья, психологические травмы и паника и т.д.)

5. О ядерной войне

Ядерное оружие является не простым способом уничтожения человечества и всей жизни на земле, а самым гарантированным - так как ядерная война, даже если не обеспечит полное уничтожение всех людей, приведет в исполнение почти все остальные сценарии гибели человечества:

Из антропогенных последствий:

сокрушительный удар по биосфере, её чудовищное загрязнение приведет к дефициту еды и чистой воды, что может привести к мировому голоду, который вызовет или гражданские войны обеспеченных провиантом против бедных, или межгосударственные войны стран, меньше затронутых экологической катастрофой и имеющих источники пропитания, против стран, потерявших источники к пропитанию.

крах системы медицины (см. предыдущий пункт), а также ухудшение экологической среды приведет к массовым эпидемиям.

нехватка незараженных территорий может привести к конфликтам за землю.

все озвученные пункты приведут к пересмотру общественных отношений человек - человек, важно будет достать дефицитные ресурсы любым путем, чтобы просто ВЫЖИТЬ. Путь силы докажет свою эффективность, что приведет к сворачиванию понятия "закон" и "экономика" (деньги ведь не важны более) и, в конечном итоге, к упразднению государства, к "войне всех против всех".

Из экологических последствий:

цепь мощные ударов приведет к таянью арктических льдов, повышению уровня мирового океана с одной стороны, и к резкому скачку сейсмической активности (извержения, землетрясения, цунами) с другой стороны. Человечеству будет нанесен удар в любой точке планеты, не будет безопасных точек.

произойдет высвобождения скованных сейчас льдом огромных масс крайне парникового и взрывоопасного газа метана, что поставит под угрозы существования озонового слоя. Земля может потерять защиту от солнечной радиации.

эффект "ядерной зимы" - когда ядерные взрывы поднимают в атмосферу сотни тысяч тон пыли, сажи и копоти, которые образовывают вокруг земли подобие чехла и задерживают часть солнечной энергии. Начинается новый ледниковый период, практически все формы жизни на планете оказываются в экстремальных условиях.

6. Мирное применение ядерных взрывов

Этот небольшой параграф действительно смотрится странно в контексте не просто реферата, но и всей темы, которая во многом пропитана мыслью о том, что ядерное оружие являет собой исключительно способ уничтожения человечества. Тем не менее, справедливо будет заметить, что ядерное оружие можно применять в мирных целях. Это очень любопытный аспект проблемы, который забывается многими, но должен быть принят нами во внимание.

·создание котлованов. В результате ядерного взрыва на некоторой глубине создается крупный резервуар с уже оплавленными стенками. Взрывы на большой глубине используются для создания газохранилищ и резервуаров для подземных отходов. Взрывы на относительно небольшой глубине позволяют образовать незакрытый резервуар, который используется как водохранилище. Этот метод имеет свои преимущества, т.к. иногда строительство подземного резервуара составляет большую сложность.

·уничтожение крупных твердых пород, мешающих строительству на глубине или же мешающих добыче полезных ископаемых (очень часто использование ядерного взрыва окупается в разы благодаря полученным ископаемым)

·сейсморазведка как с целью изучения устройства Земли, так и с целью нахождения полезных ископаемых. Принцип действия, если упрощенно, заключается в следующем: в точке А производится взрыв. В точках В, С и D находятся сейсмические приборы. Скорость волны от ядерного взрыва в толще земли известна. Если в точки В и D волна приходит с этой скоростью, а в точку С - с отличной скоростью, то значит, что между точками А и С находится не только земля, но и что-то отличное (например, нефть).

·тушение пожаров на газовых месторождениях. Пожар на газовом месторождении суть наличия пламени в некоторой точке скважины. Из-за интенсивности пожара, а также того, что он постоянно получается подпитку в виде нового топлива, стремящегося из недр наверх, тушение при помощи ядерных взрывов (или других видов взрывчатки) часто является единственным способом потушить подобный пожар. При помощи взрыва создается подземный резервуар, который отводит поток газа от скважины. Тем самым пожар перестает получать топливо и гаснет.

·существуют проекты по использованию ядерных взрывов для уничтожения или изменения траектории крупных астероидов, угрожающих Земле.

Первоначально с подобным использованием ядерных взрывов связывали большие надежды. Существовал целый ряд проектов с использованием ядерного оружия в мирных целях (например, проекты соединения Мёртвого моря с Красным или Средиземным, канала через Панамский перешеек, соединение течения Лены с Охотским морем и широко известный проект поворота северных рек в СССР). Проблема заключалась в том, что использование ядерных взрывов в целях народного хозяйства потребовала бы создания так называемых "чистых" ядерных зарядов, при взрыве которых выделяется минимум радиоактивности. В данной области были достигнуты определённые успехи, хотя полной "чистоты" добиться не удалось.

Таким образом, проблема остаточного эффекта такого применения ядерного оружия до сих пор актуальна, и здесь есть целый ряд вопросов - не просочится ли радиоактивность наверх в результате добычи полезных ископаемых или действия грунтовых вод? Спадет ли уровень радиоактивности под землей, при том, что даже на поверхности в некоторых точках испытаний она остается очень высокой?

Более того, вопрос об экономической целесообразности тоже не однозначен - хотя изначально промышленные ядерные взрывы рассматривались именно как средство удешевления крупномасштабных работ, окупает ли достигнутая экономия все непрямые издержки (в том числе расходы на постоянный мониторинг радиологической обстановки и ликвидацию последствий последующего распространения радиации, если такое будет - см. выше)?

Заключение

Мы рассмотрели теоретические предпосылки создания ядерного оружия, определили основные вехи процесса создания ядерной бомбы, раскрыли принцип её работы, разъяснили основные поражающие факторы и средства защиты от них, поговорили про ядерную войну и отметили возможность мирного использования ядерного оружия.

Ядерное оружие раз и навсегда изменило жизнь людей. Атомный фактор изменил отношения между странами, поменял содержание самих понятий "мир" и "война". Человек в своем научном поиске открыл источник такой гигантской энергии, оружие такой сокрушительной мощи, что человек сам может с ним не справится. Всю предыдущую историю человек был как бы над наукой, но теперь наука в лице своих достижений довлеет над человеком. Это исторически поворотная точка в отношениях прогрессÛчеловечество. Глупо рассуждать, следовало ли создавать ядерное оружие в 30-40-ые года. Оно все равно было бы создано. Намного мудрее говорить о настоящем и будущем ядерного оружия. Да, атомная бомба один раз уже изменила мир. Дай Бог, чтоб она не изменила его во второй раз.

Примечания

(1) радиоактивность - способность атомов некоторого химического элемента самопроизвольно излучать альфа и бета частицы и гамма-лучи, тем самым превращаясь в атомы другого химического элемента. Радиоактивны элементы с порядковым номером больше 82х. (т.е. начиная с Висмута)

(2) люминесценция - нетепловое свечение веществ, происходящее после поглощения ими энергии.

(3) закон радиоактивного распада в наиболее простом виде можно сформулировать так: скорость радиоактивного распада уменьшается с течением времени по закону геометрической прогрессии.

(4) изотопы - разновидности атомов одного и того же элемента, имеющих разное количество нейтронов в ядре.

(5) планетарная модель атома, модель Бора - Резерфорда: атом представляет из себя подобие планетарной системы, где вокруг ядра (протоны + нейтроны) по орбитам вращаются электроны.

(6) модель Томпсона, "пудинг с изюмом" (Plum pudding model): атом представляет из себя положительно заряженное тело с заключенными внутрь его электронами.

(7) ядерная изомерия - явление, суть которого в существовании определенных веществ (изомеров), имеющих одинаковый состав и молекулярную массу, но отличных по расположению атомов в пространстве. Изомеры имеют разные свойства.

(8) капельная модель ядра - очень любопытная модель, согласно которой атомное ядро можно представить в виде капли из ядерной материи. Для нас здесь важно то, что, согласно этой теории, с ядром можно производить действия, характерные для жидкостей - а именно, дробление капли (деление ядер) и слияние капель (синтез ядер). Допущение этой возможности - важный шаг в сознании.

(9) циклотрон - ускоритель частиц, в котором они двигаются в постоянном и однородном магнитном поле.

(10) коэффициент размножения нейтронов - отношение числа нейтронов последующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения. В случае, если коэффициент меньше единицы, реакция не является цепной и затухает. Коэффициент больше единицы обеспечивает нарастание реакции, т.к. все больше и больше нейтронов бомбардируют осколки урана. Нарастание используется для повышения КПД системы, в случае критического положения искусственно (человек удаляет нейтроны из среды) коэффициент делается меньше единицы и реакция затухает.

(11) метод Клузиуса-Диккеля - более легкие изотопы поднимаются вверх быстрее тяжелых, что позволяет разделять изотопы по массе ядра.

(12) уран-235 - изотоп урана, самое распространенное ядерное топливо.

(13) тяжелая вода, дейтерий - используется в ядерных реакциях для торможения нейтронов.

(14) ионизация - процесс образования ионов (электрически заряженных частиц).

(16) экранирование - способ снижения воздействия влияния внешних электромагнитных полей с помощью заземлённого металлического или металлизированного экрана с высокой электрической или магнитной проводимостью.

Список литературы

Юнг Р. - Ярче тысячи солнц.

Электронная версия Большой Советской Энциклопедии.

Учебник "Физика 11 кл."Авт. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.

Федосеев С. Л. - Оружие большого шантажа, Ежемесечный журнал "Вокруг света", август 2005 года.

Энциклопедия ядерного оружия, http://www.nuclear-weapon.ru/

Наиболее широкое распространение получили стабилизаторы постоянного напряжения, включаемые между выпрямителем и потребителем электрической энергии.

Заданий работы необходимо иметь четкое представление о схемах соединения (последовательное, параллельное, смешанное) приемников и источников электрической энергии, их свойствах и о способах расчета линейных электрических цепей постоянного тока.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника - это наука о техническом (т.е. прикладном) использовании электрических и магнитных явлений. Большое значение электротехники заключается в том, что средствами электротехники:

1. эффективно получают и передают электроэнергию;

2. решают вопросы:

Ш передачи и преобразования сигналов и информации: звук человеческой речи преобразуют в электромагнитные колебания (телефон, радио);

Ш хранения информации (телеграф, радио, магнитная запись);

3. выполняют математические операции: вычислительные машины с огромной скоростью выполняют любые математические операции, в том числе и решение сложных уравнений.

Теоретические основы электротехники заложены физикой (учением об электричестве и магнетизме) и математикой (методами описания и анализа электромагнитных явлений). Наряду с этом развитие электротехники привело к ряду новых физических понятий, новых формулировок физических законов, к развитию специальных математических методов, связанных с описанием и анализом типичных явлений, протекающих именно в электротехнических устройствах, например переходные процессы.

Переходные процессы сопровождают переход электрической цепи или системы из одного установившегося состояния в другое и возникают при любых изменениях параметров электрических цепей. Мгновенные изменения параметров называют коммутациями. Наиболее распространенными коммутациями являются включения или выключения электрических цепей в целом или отдельных их участков.

Переходные процессы в исключительном большинстве случаев конечны во времени. Объясняется это тем, что любая электрическая цепь запасает энергию электромагнитного поля. При этом энергия магнитного поля сосредоточивается в индуктивностях, а электрического - в емкостях. Электромагнитная энергия не может быть изменена мгновенно, т.е. нельзя ее мгновенно накопить, или, наоборот, израсходовать. Это обстоятельство и определяет конечность протекания во времени любых переходных процессов. В зависимости от количества активных и реактивных элементов, а также от структуры электрической цепи изменения токов и напряжений в переходных процессах могут быть достаточно сложными.

1. Анализ трехфазной цепи при включении в нее приемников по схеме «треугольник»

Если обмотки генератора трехфазного тока соединить так, что конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой, а к общим точкам подключить линейные провода, то получим соединение треугольником. Кажущегося короткого замыкания в обмотках генератора не произойдет, так как сумма мгновенных значений ЭДС в них равна нулю:

в чем легко убедиться, построив векторную диаграмму. Три приемника тока также включены треугольником. В отличие от соединения звездой, где в большинстве случаев применяется четырехпроводная система, здесь используются три провода.

Рисунок 1.1 - Соединение треугольником

При соединении треугольником существуют только линейные напряжения, поскольку нулевой провод отсутствует, но появляются фазные и линейные токи. Соотношения между линейными и фазными токами легко могут быть получены, если для каждой узловой точки потребителя применить первое правило Кирхгофа:

Из этих соотношений видно, что любой из линейных токов равен геометрической разности двух фазных токов. Кроме того, почленное сложение этих равенств показывает, что геометрическая сумма линейных токов равна нулю:

Для построения векторной диаграммы в качестве исходных возьмем три вектора линейных напряжений (UAB, UBC, UCA), расположенных под углом 120° друг относительно друга.

Рисунок 1.2 - векторная диаграмма соединения треугольником

При симметричной нагрузке векторы фазных токов IAB , IВС,IСА сдвинуты по фазе относительно соответствующих напряжений на угол, величина которого зависит от характера нагрузки.

Теперь, пользуясь соотношениями, построим на этой же диаграмме векторы линейных токов. Для того чтобы построить вектор линейного тока IA , нужно к вектору фазного тока IAB прибавить вектор (--ICA) , т. е. вектор, равный по длине ICA, но противоположный по направлению. Так же строятся остальные векторы линейных токов.

Для нахождения соотношения между модулями линейных и фазных токов рассмотрим тупоугольный треугольник с углом 120° при вершине, образованный векторами Ia, (-ICA) и IAB. Опустим перпендикуляр из вершины тупого угла этого треугольника на противоположную сторону и найдем, что. Следовательно, Таким образом, в трехфазной системе, соединенной треугольником, линейные токи больше фазных в раз, а фазные напряжения совпадают с линейными.

Наличие двух способов включения нагрузок расширяет возможности потребителей. Например, если каждая из трех обмоток трехфазного электродвигателя рассчитана на напряжение 220 В, то электродвигатель может быть включен треугольником в сеть 220/127 В или звездой в сеть 380/220 В. Соединение треугольником чаще всего используется в силовых установках (электродвигатели и т. п.), где нагрузка близка к равномерной. В трехфазных цепях способ включения нагрузки (звездой или треугольником) не зависит от способа включения обмоток генератора или трансформатора, питающего данную цепь.

2. ИСТОЧНИКИ И ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1 Расчет двухконтурной электрической цепи

Для электрической цепи постоянного тока (рисунок 2.1.1) определить ток I, напряжение на зажимах потребителя U, мощность потребителя электроэнергии Р2 и источника питания P1, КПД? установки, составить баланс мощностей.

Рисунок 2.1.1 - Электрическая цепь постоянного тока

ЭДС источника Е, внутреннее сопротивление источника R0, сопротивления резисторов R1, R2, R3, а также положение выключателей К1 и К2 для соответствующих вариантов задания приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1

Решение

Рисунок 2.1.2 - расчетная схема

Сопротивление потребителя:

2·6 / (6+2) = 4 Ом (2.1.1)

Определяем полное сопротивление цепи:

=4 + 0,3 = 4,3 Ом (2.1.2)

Ток, протекающий по цепи:

6 / 4,3 = 1,39 А (2.1.3)

Напряжение на зажимах потребителя:

1,39·4 = 5,56 В (2.1.4)

Мощности потребителя и источника:

5,56·1,39 = 7,73 Вт (2.1.5)

6·1,39 = 8,34 Вт (2.1.6)

Коэффициент полезного действия:

7,73 / 8,34 = 0,927 = 92,7 % (2.1.7)

2.2 Метод эквивалентных преобразований для многоконтурной электрической цепи

Определить эквивалентное сопротивление Rэк электрической цепи постоянного тока (рис.1.4,а) и распределение токов по ветвям. Вариант электрической цепи (включая ее участок 1-2, рис.1.4, рис.1.5, ограниченный на схеме рис. 1.4, а пунктиром), положение выключателей К1 и К2 в схемах, величины сопротивлений резисторов R1 - R12 и питающего напряжения U для каждого из вариантов задания представлены в таблица 2.2

Таблица 2.2

Решение

Рисунок 2.2.1 - расчетная схема

Определяем эквивалентные соединения отдельных ветвей:

Определяем соединения суммируя параллельно соединенные ветви:

Определяем полное эквивалентное соединение:

(2.2.7)

Определяем общую силу тока:

электрический цепь многоконтурный трехфазный

(2.2.8)

Падение напряжения на ветвях:

(2.2.9)

Определяем токи в верхней части цепи:

Токи в остальных ветвях цепи:

2.3 Метод применения законов Кирхгофа для многоконтурной электрической цепи

Для электрической цепи постоянного тока (рис. 1.7) , используя данные, приведенные для данного варианта задания в табл. 1.3, определить токи I1 - I9 в ветвях резисторов R1 - R9, составить баланс мощностей. ЭДС и напряжения источников, сопротивления резисторов и положение выключателей для соответствующих вариантов задания приведены в таблице 2.3. Внутренним сопротивлением источников пренебречь.

Таблица 2.3

Решение

Рисунок 2.3.1 - расчетная схема

Выбираем направление движения токов. Составляем систему уравнений по законам Кирхгофа

Подставляем численные значения и решаем систему матричным методом:

(2.3.2)

(2.3.3)

(2.3.4)

Значения токов:

(2.3.5)

Составляем баланс. Суммируем мощность, выделяемую на резисторах:

(2.3.6)

Суммируем мощность, поставляемую в цепь источниками ЭДС:

(2.3.7)

Баланс сходится Р1 = Р2. Расчет произведен верно.

2.4 Выводы

В данной главе изучили источники и потребители электрической энергии постоянного тока. Изучили и рассчитали двухконтурную электрическую цепь. Для электрической цепи постоянного тока определили ток I, напряжение на зажимах потребителя U, мощность потребителя электроэнергии Р2 и источника питания P1, КПД? установки, составили баланс мощностей.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.1 Расчет цепи переменного тока со смешанным соединением сопротивлений

Таблица 3.1

	Метод контурных токов

Решение

Рисунок 3.1.1 - Расчетная схема

Вычисляем комплексные сопротивления ветвей:

Выбираем направление течения тока и составляем уравнения по методу контурных токов

(3.1.4)

Решаем систему уравнение и получаем значения токов:

(3.1.5)

Определяем токи ветвей:

(3.1.6)

Рассчитываем полную мощность, генерируемую источниками ЭДС:

(3.1.7)

Активная составляющая

(3.1.8)

Активная мощность, выделяемая на резисторах:

(3.1.9)

Мощности равны, баланс сходится.

Определяем падение напряжения на всех элементах:

(3.1.10)

Напряжение между точками 1-3

(3.1.11)

Напряжение между точками 3-4

(3.1.12)

Напряжение и ток между точками 2-3

(3.1.13)

Рисунок 3.1. - Векторная диаграмма участка 2-3

3.2 Выводы

В данном разделе курсовой работы изучили электрические цепи переменного тока.

Для электрической цепи переменного тока с частотой f = 50 Гц определили полные сопротивления Z ветвей, токи I в ветвях и напряжения U на элементах электрической цепи, составили баланс активных мощностей. Построили для ветви цепи в масштабе векторную диаграмму тока и напряжений.

4.ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

4.1 Расчет схемы однокаскадного низкочастотного усилителя

Рассчитать схему однокаскадного низкочастотного усилителя: определить коэффициенты усиления пол току Ki, напряжению Ku и мощности Kp, а также входное RBX и выходное RВЫХ сопротивления для заданного варианта схемы включения транзистора по его h-параметрам для рабочей точки. Величина сопротивления RH нагрузки и внутреннего сопротивления генератора сигналов Rr приведены для соответствующего варианта контрольного задания в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Решение

Коэффициент усиления по току определяется как:

56 / (1 + 6,25·10-6 · 5500) = 54,139 (4.1.1)

по напряжению:

(4.1.2)

=56 ·5500/ 330 · (1 + 6,25·10-6·5500- 1,6·10-4·56 ·5500) =1055

Отрицательное значение коэффициента усиления означает, что напряжение на выходе контура инвертируется.

Коэффициент усиления по мощности:

54,139·1055= 57093 (4.1.3)

Входное сопротивление:

(4.1.4)

=(330·(6,25·10-6 + 1/5500) - 1,6·10-4·56)/ (6,25·10-6 + 1/5500) = 282 Ом = 0,282 кОм

Выходное сопротивление

(4.1.5)

=(330+ 15000) / (6,25·10-6 ·(330 + 15000)· 1,6·10-4·56) =

= 1786·107 Ом = 17,86 Мом

4.2 Выводы

В данном разделе изучили схемы однокаскадных низкочастотных усилителей на разнородных транзисторах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы изучили источники и потребители электрической энергии постоянного тока. Изучили и рассчитали двухконтурную электрическую цепь. Для электрической цепи постоянного тока определили ток I, напряжение на зажимах потребителя U, мощность потребителя электроэнергии Р2 и источника питания P1, КПД? установки, составили баланс мощностей.

Изучили метод эквивалентных преобразований для многоконтурной электрической цепи. Определили эквивалентное сопротивление Rэк электрической цепи постоянного тока и распределение токов по ветвям.

Изучили и применили на практике законы Кирхгофа для многоконтурной электрической цепи. Для электрической цепи постоянного тока, определили токи в ветвях резисторов, составили баланс мощностей.

В процессе написания курсовой работы изучили электрические цепи переменного тока.

Рассчитали цепь переменного тока со смешанным соединением сопротивлений. Для электрической цепи переменного тока с частотой f = 50 Гц определили полные сопротивления Z ветвей, токи I в ветвях и напряжения U на элементах электрической цепи, составили баланс активных мощностей. Построили для ветви цепи в масштабе векторную диаграмму тока и напряжений.

В пределах данной курсовой работы изучили схемы однокаскадных низкочастотных усилителей на разнородных транзисторах.

Рассчитали схему однокаскадного низкочастотного усилителя: определили коэффициенты усиления по току Ki, напряжению Ku и мощности Kp, а также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления для заданного варианта схемы включения транзистора с его h-параметрами для рабочей точки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М: Высшая школа, 1996 год.

2. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи: Учебник. - М.: Высшая школа,1990.

3. Касаткин А.С. Электротехника: учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - 11-е изд., стер. ; Гриф МО. - М. : Академия, 2007.

4. Жаворонков М.А. Электротехника и электроника. - М.: "Академия", 2010.

5. Электротехника и электроника. Контрольные работы Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы./СамГТУ, сост. Ю.А. Мелешкин, А.А. Мартынов, В.И. Куликов. Самара, 2009 . 62 c.

6. Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 528 с., ил.

7. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 440 с., ил.

8. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

9. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.

10. Кузовкин В.А. Теоретическая электротехника: Учебник. М.: Логос, 2002

11. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Высш. шк., 2000.

12. Бессонов Л.А. Сборник задач по ТОЭ. М.: Высш. шк., 2001.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Расчет линейной электрической цепи постоянного тока с использованием законов Кирхгофа, методом контурных токов, узловых. Расчет баланса мощностей цепи. Определение параметров однофазной линейной электрической цепи переменного тока и их значений.

курсовая работа , добавлен 27.03.2016


Расчет значений тока во всех ветвях сложной цепи постоянного тока при помощи непосредственного применения законов Кирхгофа и метода контурных токов. Составление баланса мощности. Моделирование заданной электрической цепи с помощью Electronics Workbench.

контрольная работа , добавлен 27.04.2013


Расчет токов во всех ветвях электрической цепи методом применения правил Кирхгофа и методом узловых потенциалов. Составление уравнения баланса мощностей. Расчет электрической цепи переменного синусоидального тока. Действующее значение напряжения.

контрольная работа , добавлен 05.07.2014


Произведение расчетов разветвленной цепи постоянного тока с несколькими источниками электрической энергии; цепи переменного тока с параллельным соединением приемников, трехфазной цепи при соединении "звездой"; однокаскадного низкочастотного усилителя.

контрольная работа , добавлен 31.01.2013


Особенности измерения силы тока в цепи с помощью амперметра. Методика расчета силы тока в неразветвленной части электрической цепи по первому закону Кирхгофа, проверка его правильности. Анализ абсолютной и относительной погрешностей параметров цепи.

лабораторная работа , добавлен 12.01.2010


Расчет линейной электрической цепи при несинусоидальном входном напряжении. Действующее значение напряжения. Сопротивление цепи постоянному току. Активная мощность цепи. Расчет симметричной трехфазной электрической цепи. Ток в нейтральном проводе.

контрольная работа , добавлен 12.10.2013


Описание схемы и определение эквивалентного сопротивления электрической цепи. Расчет линейной цепи постоянного тока, составление баланса напряжений. Техническая характеристика соединений фаз "треугольником" и "звездой" в трехфазной электрической цепи.

контрольная работа , добавлен 27.06.2013


Основные понятия, определения и величины, характеризующие трехфазные электрические цепи. Источник электрической энергии в трехфазной цепи. Способы соединения фаз источника трехфазного тока и соотношения. Соединение приемников звездой и треугольником.

контрольная работа , добавлен 19.01.2011


Вычисление численного значения токов электрической цепи и потенциалов узлов, применяя Законы Ома, Кирхгофа и метод наложения. Определение баланса мощностей и напряжения на отдельных элементах заданной цепи. Расчет мощности приемников (сопротивлений).

практическая работа , добавлен 07.08.2013


Расчет линейной электрической цепи постоянного тока. Определение токов во всех ветвях методом контурных токов и узловых напряжений. Электрические цепи однофазного тока, определение показаний ваттметров. Расчет параметров трехфазной электрической цепи.

Тепловое действие электрического тока впервые наблюдалось в 1801, когда током удалось расплавить различные металлы. Первое промышленное применение этого явления относится к 1808, когда был предложен электрозапал для пороха. Первая угольная дуга, предназначенная для обогрева и освещения, была выставлена в Париже в 1802. К полюсам вольтова столба, насчитывавшего 120 элементов, подсоединялись электроды из древесного угля, и когда оба угольных электрода приводились в соприкосновение, а затем разводились, возникал «сверкающий разряд исключительной яркости».

Исследуя тепловое действие электрического тока, Дж.Джоуль (1818–1889) провел эксперимент, который подвел прочную основу под закон сохранения энергии. Джоуль впервые показал, что химическая энергия, которая расходуется на поддержание в проводнике тока, приблизительно равна тому количеству тепла, которое выделяется в проводнике при прохождении тока. Он установил также, что выделяющееся в проводнике тепло пропорционально квадрату силы тока. Это наблюдение согласуется как с законом Ома (V = IR ), так и с определением разности потенциалов (V = W / q ) . В случае постоянного тока за время t через проводник проходит заряд q = It . Следовательно, электрическая энергия, превратившаяся в проводнике в тепло, равна:

Эта энергия называется джоулевым теплом и выражается в джоулях (Дж), если ток I выражен в амперах, R – в омах, а t – в секундах.

Предположим, что к внешним зажимам а, Ь источника питания подключен приемник с изменяющимся сопротивлением r н (рис. 2.1). При изменении сопротивления r н ток I и напряжение U источника будут также изменяться. Из всех возможных режимов работы источ­ника электрической энергии наиболее важными являются четыре: номинальный режим, режим холостого хода, режим короткого, за­мыкания и согласованный режим.

Номинальный режим источника характери­зуется тем, что напряжение, ток и мощность его соответствуют тем значениям, на которые он рассчитан заводами-изготовителями. При этом гарантируются наилучшие условия работы (экономич­ность, долговечность и т. п.).

Величины, определяющие номинальный режим, обычно ука­зывают в паспорте или на щитке, прикрепленном к устройству. Эти данные берут за основу при расчетах электрических схем.

Основными номинальными данными электротехнических устройств являются их номинальные напряжения и токи: U н и I н . По номи­нальному напряжению рассчитывают изоляцию электрических проводов, а по номинальному току - условия их предельно до­пустимого нагрева.

Режимом холостого хода источника называют режим, при котором ток в нем равен нулю. Для практического осуществления режима холостого хода достаточно отключить один из проводов, при помощи которых источник присоединен к цепи (рис. 2.2,а).

При холостом ходе источника напряжения U x на его внешних зажимах будет наибольшим и равным э.д.с. источника: (U х =Е. Следовательно, э.д.с. источника можно измерить вольтметром, подключенным к его разомкнутым внешним зажимам.

Режим короткого замыкания характеризуется тем, что напряжение на внешних зажимах источника равно нулю: U H = 0 (рис. 2.2, б). Ток I к короткого замыкания источника будет наибольшим. Значение тока I к может быть во много раз больше зна­чения номинального тока I н , поэтому, как правило, режим корот­кого замыкания является опасным для источника.

Согласованным режимом источника называ­ют режим, при котором он отдает во внешнюю цепь наиболь­шую мощность. Последнее обстоятельство часто используют в осо­бых случаях, о которых будет сказано в дальнейшем.

УСЛОВИЯ ПЕРЕДАЧИ ИСТОЧНИКОМ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

ВО ВНЕШНЮЮ ЦЕПЬ

При сопротивлении резистора внешней цепи (см. рис. 2.1), равном r н , напряжение и ток в нем связаны уравнением U = =r н I н , выражающим закон Ома для пассивного участка цепи. Учи­тывая это, уравнение (2.2) можно записать иначе:

E = rI + r H I. (2.6)

Это уравнение выражает электрическое состояние простейшей замкнутой цепи. Из него можно получить выражение закона Ома для простейшей замкнутой цепи с по­следовательной схемой замещения источ­ника :

I =E/r+r H (2.7)

При этом мощность внешней цепи

(2.8)

Ток внешней цепи с параллельной схемой замещения источни­ка можно найти из выражения

, (2.9)

Тогда мощность внешней цепи

Мощность нагрузки Р н при холостом ходе (r н = ) и при ко­ротком замыкании (r н = 0) равна нулю. Она имеет максимальное

значение, когда отношение максимально. Взяв первую

производную этой дроби по r и приравняв ее нулю, получим

(r + r H) 2 -2r(r + r н) = 0,

r H = r. (2.11)

Следовательно, мощность внешней цепи максимальна, когда сопротивление внешней цепи r н равно внутреннему сопротивлению r источника, т. е. когда внешняя цепь и источник работают в со­гласованном режиме.

В согласованном режиме мощность потерь внутри источника равна половине мощности источника:

.

Исследуем изменение к.п.д. источника в зависимости от вели­чины сопротивления r н. К.п.д. источника равен отношению мощ­ности внешней цепи Р н к полной мощности Р, развиваемой источ­ником:

(2.12)

Из формулы (2.12) вид, что при холостом ходе, когда r н = , к.п.д. , при котором замыканий, когда r н =0, к.п.д. , в согласованном режиме r н =r к.п.д. .

В рассмотренных выше соотношениях сопротивление r обозначало только внутреннее сопротивление источника. Однако полученные формулы останутся теми же, если под r подразумевать со­противление проводов линии, а под Е - напряжение U на ее входе. При этом на входе схемы можно предполагать включенным источ­ник э.д.с. с внутренним сопротивлением, равным нулю, и с по­стоянным значением э.д.с. Е=U. Все рассуждения относительно передачи энергии источника к приемнику с сопротивлением r н, под­ключенному к концу линии, будут аналогичны случаю передачи энергии источником во внешнюю цепь.