Конденсатор является накопителем энергии, запасаемой в электрическом поле. Сравнение накопителей энергии различных типов (табл. 19.2) показывает, что даже импульсные конденсаторы, работающие при весьма высокой рабочей напряженности (порядка 200 кВ/мм), обладают значительно меньшей удельной энергией в единице объема или в единице массы, чем другие виды накопителей [1.5, 19.9. 19.10).
Таблица 19.2. Сравнительные характеристики накопителей энергии
Тип накопителя | Удельная | энергия | Мощность а импульсе. В Л/см1 или Вт/см5 |
Дж./см» | Дж/г | ||
Химические накопители (аккумуляторы) | 500-2000 | 100 1000 | 0,3 — 3 |
Механические накопители (ударные генераторы) | 10 —100 | .1 - 20 | (1 — 10)*10+1 |
Индуктивные накопители | 10—50 | 1—5 | (1 — 10)•103 |
Конденсаторы | 0,2..... 10 | 0,1-5 | (1 — 5)-105 |
Однако, как следует из этой же таблицы, конденсаторы имеют значительно большую удельную мощность, т. е. могут обеспечить значительно большую скорость передачи энергии в нагрузку, при этом время передачи энергии в нагрузку может иметь значения 10_6 с и менее. Это объясняется весьма малым внутренним сопротивлением (малой индуктивностью) импульсных конденсаторов по сравнению с другими накопителями энергии. В связи этим конденсаторы широко используются в областях науки и техники, где необходимы быстрая передача и выделение энергии в нагрузке: в электротехнологии, в установках инерциального управляемого термоядерного синтеза, в импульсных источниках энергии для возбуждения (накачки) импульсных оптических квантовых генераторов (лазерных систем), для импульсных источников света, в медицинской технике для импульсной электротерапии нарушения ритма сердца (дефибрилляторов) и др. [19.9, 19.11]. Рассмотрим более ‘ подробно применение конденсаторов в электротехнологии.
Разрядно-импульсная технология. В этом случае используется явление возникновения высоких импульсных давлений в жидкости при ее пробое, которое называется электрогидравлическим эффектом. Принцип его состоит в следующем. В жидкость (чаще всего в воду) вводят электроды, на которые подается высокое импульсное напряжение.
Процесс можно разбить на три стадии: предпробивную, активную и пассивную. Предпробивная начинается с момента подачи напряжения на электроды, заканчивается пробоем жидкости и возникновения в ней нитевидного канала разряда. В следующей, активной, стадии канал разряда превращается в плазменный капал высокой проводимости. Вследствие быстрого (за время единиц или десятков микросекунд) выделения большого количества энергии (103—105 Дж) плазма в канале нагревается до температуры (10 — 40) * 103 К; одновременно происходит расширение канала со скоростью порядка (2—10) • 102 м/с, в результате чего возникает интенсивное гидродинамическое возмущение, имеющее характер волны сжатия и распространяющееся со скоростью (1,5 —3,0) • 103 м/с, близкой к скорости звука в данной жидкости. Эта волна сжатия используется в технологическом цикле.
Канальная, или активная, стадия заканчивается с прекращением протекания тока в разрядной цепи, после чего начинается пассивная стадия, в которой канал разряда переходит в парогазовую полость.
Давление вблизи канала разряда в жидкости можно оценить по формуле [19.12]
(19.23)
где
.
Это давление может достигать значений порядка 103— 104 МПа. Электрогидравлический эффект широко используется в установках для разрушения, дробления и измельчения минералов и других веществ, листовой штамповки, очистки отливок, прессования порошков, кристаллизации веществ из растворов и др. С помощью электрогидравлического эффекта может производиться переработка или разрушение непроводящих твердых сред, и он более экономичен по сравнению с другими способами. Например, разрушение объема 1 —1,5 м3 с помощью электрогидравлического эффекта обходится в 10 раз дешевле разрушения его с помощью взрывчатых веществ.
Магнитно-импульсная технология. Существо этого процесса состоит в том, что при разряде конденсаторной батареи на соленоид (индуктор) в нем создается магнитное поле, которое вызывает появление вихревых токов большой силы в обрабатываемой заготовке. Магнитное поле вихревых токов, взаимодействуя с магнитным полем индуктора, создает механические усилия, производящие пластическую деформацию заготовки.
Сила, действующая нормально к поверхности проводника в точке 5 и отнесенная к единице поверхности, равна:
(19.24)
где 5(5) — магнитная индукция в точке 5; р0 — Магнитная постоянная; Иуд— удельная энергия магнитного поля.
Для необходимого изменения конфигурации поля в рабочем объеме применительно к требуемой технологической операции применяются одновитковые вкладыши (концентраторы магнитного потока). С помощью магнитно-импульсной обработки металлов можно штамповать изделия различной формы, обжимать изделия (например, трубы), насаживать одну трубу на другую с высокой прочностью и плотностью соединения, соединять (впрессовывать) трубу в стенки коллектора и др.
В настоящее время в разрушающих соленоидах могут быть получены поля с индукцией около 300—500 Тл, приводящие к удельному давлению на поверхность металла до 105 МПа, что намного превосходит механические прочностные характеристики (например, предел текучести) металлов.
