Бочкарёв О. О., Булышев А. В., Шипицын
И. М.,
Алтунин Н. П., Тасец И. В., г. Пермь
ЯВЛЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭДС, ОБЛАДАЮЩЕЙ СВОЙСТВОМ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ, В ПРОВОДНИКЕ С ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
Открытие относится к областям электротехники, энергетики, физики.
Явление возникновения ЭДС, обладающей свойством сверхпроводимости, в проводнике с переменным током заключается в том, что при переменном электромагнитном воздействии на сверхпроводящий композитный проводник, наложенный на однородный проводник через диэлектрик, в сверхпроводящем композитном проводнике происходит накопление куперовской парой электронов энергетической массы зарядов до полного её насыщения. В момент превышения энергетической массы зарядов критического состояния куперовская пара распадается на два сверхпроводящих электрона с одинаковой энергетической массой зарядов, обладающие тремя квантовыми значениями.
Сверхпроводящие электроны переходят через тоннельный переход диэлектрика на однородный проводник и передают свою избыточную массу зарядов электронам однородного проводника всех уровней Ферми, индуцируя незатухающий магнитный поток на этих уровнях, и, передав избыточную массу зарядов, движутся с конечной скоростью через площадь поперечного сечения однородного проводника, создавая свой экранирующий сверхпроводящий магнитный поток. Между двумя магнитными потоками создается поляризованный коридор, в котором будет двигаться переменный ток от источника к потребителю без потерь, экранируясь этими магнитными потоками.
В результате наложения экранирующего сверхпроводящего магнитного потока и индуцированного незатухающего магнитного потока кристаллическая решетка однородного проводника стабилизируется, и поток массы зарядов не испытывает никакого сопротивления, свободно проходя через узлы кристаллической решетки однородного проводника. Таким образом, в однородном проводнике происходит разделение потока сверхпроводящих электронов и потока массы зарядов в однородном проводнике.
Данное открытие с точки зрения науки, описывающей физические явления микромира, может заложить основу для описания процессов качественного изменения магнитных и электрических свойств материалов-проводников и характеризовать свободные электроны новой степенью мигрирующего состояния.
Практическая значимость открытия заключается в том, что данное открытие можно использовать для формирования сверхпроводящей электродвижущей силы с целью компенсации реактивной мощности и формирования активной мощности источников электрической энергии, что позволит перейти на принципиально новые технологии генерирования, передачи и потребления электроэнергии и решить задачи: управление сопротивлением в проводниках с током; поддержание в проводнике неменяющегося напряжения, приложенного к нагрузке потребителя; устранение реакции якоря генерирующих установок с увеличением их мощности при сохранении массы магнитопровода, количества и сечения обмоток статора; устранение нагрева генерирующих установок и электродвигателей; упрощение управления электрическими установками различной мощности; передача тока на большие расстояния, где электрическая передача имеет любую длину и неизменную напряженность и пропускная способность воздушно-кабельных линий значительно выше, чем в существующих системах.
Решение вышеперечисленных задач даст возможность значительно сократить затраты на энергоносители и удовлетворить электроэнергетические потребности индустриальных и неиндустриальных стран, определяемые пятью основными факторами: промышленностью; внутренним потреблением; торговлей; сельским хозяйством; транспортом.
Совершенствование систем генерирования, распределения и потребления электроэнергии не может развиваться в традиционном варианте, поскольку стандартные системы не учитывают значение реактивной мощности и не обеспечивают её полную компенсацию, занимают значительные площади, потребляют большое количество ресурсов, требуют систематического улучшения условий эксплуатации. При этом объединение этих систем в единую энергосистему вызывает проблемы, связанные с бесперебойным снабжением электроэнергией потребителя, так как при удалении генерирующих станций друг от друга на значительное расстояние их синхронизация невозможна. Дело в том, что синхронная работа соединенных между собой систем возможна лишь при условии, что мощность в линии электропередачи не превышает определенного предела, называемого пределом устойчивости. При повышении напряжения предел устойчивости повышается, но сильно понижается при увеличении длины линии. Однако при повышении напряжения быстро растёт стоимость оборудования кольцевых подстанций и стоимость самой линии, в которой для ослабления коронного разряда, т.е. стекания электричества с проводов высокого напряжения через воздух, необходимо значительное увеличение диаметров проводов.
По нашему мнению, при передаче электроэнергии невозможно ограничиться применением основных характеристик переменного и постоянного тока, так как тот и другой ток имеют свойственные им недостатки. Известно, что к недостаткам переменного тока относится низкая пропускная способность воздушно кабельных линий из-за наличия ёмкости между проводами, что характерно для высокого напряжения. Постоянный же ток не экономичен в производстве и использовании. Генераторы постоянного тока из-за наличия скользящих контактов в цепи нагрузки сложны по конструкции и эксплуатации. Они могут быть построены на мощность лишь до 20 МВт при кпд 94%. Кроме того, не существует простых способов преобразования напряжения постоянного тока в переменный ток. Поэтому необходимо качественно и с новых позиций подходить к вопросам генерирования, распределения и потребления электроэнергии.
Фактически проблемы совершенствования систем генерирования, распределения и потребления электроэнергии решаемы с позиции заявленного открытия, сделанного нами на основе наблюдаемого явления, представляющего собой движение свободных электронов в проводнике со скоростью света и передачу напряжения без потерь, и названного явлением возникновения ЭДС, обладающей свойством сверхпроводимости, в проводнике с переменным током.
По нашему мнению, разделение движения электронов и массы зарядов при совмещении этих потоков в контуре с нагрузками, где имеет место наличие свободных отрицательных зарядов, позволит не только осуществить компенсацию, но и получить энергию в результате такой компенсации, т.е. формировать активную мощность источников питания. Источником свободных отрицательных зарядов могут стать магнитопроводы из электротехнической стали в генераторах, так как любой металлический проводник является ёмкостью таких зарядов, т.е. зарядов структурно свободных. Но такое получение энергии возможно только при формировании ЭДС, обладающей свойством сверхпроводимости.
Явление возникновения ЭДС сверхпроводимости в проводнике с переменным током было открыто нами на основе изучения процессов движения и взаимодействия электронов в атомах металлов проводников, где для обнаружения явления использовалось два принципа физических явлений. Первый принцип основан на том, что два электрона одного значения не могут находиться в пространстве атома однородного проводника, а второй принцип основан на обратном явлении, допускающем присутствие электронов одного значения в атомной структуре проводника при условии, что такой проводник является композиционным материалом. Таким образом, совмещение двух принципов позволило найти третий принцип, названный нами явлением возникновения ЭДС сверхпроводимости
Смысл найденного решения заключается в том, что электромагнитное воздействие на электронный газ куперовской пары композитного проводника приводит к нарушению плотности среды с увеличением массы электронного облака, окружающего пары электронов. В результате магнитный момент пары разрушается, образуются два свободных электрона одного значения, где каждый электрон имеет сонаправленную, периодическую ориентацию спина, и, используя внешний электромагнитный момент, смещается в сторону однородного проводника через тоннельный переход изолятора, протекая через узкие капилляры диэлектрика без сопротивления к поверхности однородного проводника. А так как скорость электромагнитного взаимодействия равна скорости света и спин электрона направлен навстречу внешнему электромагнитному воздействию, то каждый электрон, образованный делением куперовской пары, развивает поступательное движение через площадь поперечного сечения проводника со скоростью, равной скорости электромагнитного взаимодействия. Обладая избытком квантового излучения, свободные электроны с тремя квантовыми состояниями передают энергию через верхний уровень Ферми на более низкие уровни, концентрируя заряды на всех уровнях атомной структуры однородного проводника, искусственно вызывая общую стабилизацию кристаллической решётки, которая становится жёсткой и не испытывает никаких воздействий, а значит и сопротивление нулевое. Стабилизация удерживается спиновыми моментами и движением орбитальных токов каждого уровня электронов.
В такой стабилизации потери кванта энергии трёх состояний не происходит, и значение сверхпроводящей ЭДС определяется общей концентрацией зарядов на оболочках электронов. Состояние обмена квантом энергии между электронами является идеальным, поскольку отсутствует нарушение периодичности, поэтому, согласно корпускулярно-волновому диапазону, движению электронов сверхпроводимости сопоставляется волновой процесс. Это соответствует тому, что однородный проводник не оказывает сопротивление электронам, движение которых обусловлено конечной скоростью. Следствием этого является факт, что ЭДС сверхпроводимости обладает избытком энергии трёх квантовых чисел, пронизывая своим излучением все узлы кристаллической решётки однородного проводника.
При возбуждении нижних уровней Ферми создаётся магнитное поле с частотой, равной частоте воздействия электромагнитного поля. В свою очередь, разделённые электроны создают плотность поверхности Ферми и экранируют более низкие уровни газа Ферми, создавая сверхпроводящую экранирующую оболочку со своим магнитным полем и своей частотой. Сверхпроводящее магнитное поле индукционным путём возбуждает незатухающий ток на нижних уровнях Ферми. В проводнике создаются магнитные потоки разной величины – магнитный поток индуцированного незатухающего тока и экранирующий магнитный поток сверхпроводящей оболочки. Эти магнитные потоки, вступая во взаимодействие между собой, генерируют общий магнитный поток. Между этими магнитными потоками создается поляризованный коридор по всей длине однородного проводника, в котором переменный ток будет двигаться от источника к нагрузке. Незатухающий ток создаёт вращательный момент для оболочки, где сверхпроводящие электроны двигаются, подчиняясь кинетическим законам квантовой механики. При этом поле незатухающих колебаний будет охлаждаться за счёт резонанса амплитуды магнитных полей и дискретности магнитного потока сверхпроводимости.
Огромную роль в создании сверхпроводящего потока электронов играет фазовая корреляция, т.е. рождение и деление куперовской пары вокруг однородного проводника, так как именно куперовская пара участвует в переносе сверхпроводящего тока и имеет одно и то же квантовое состояние. При переходе к следующему состоянию за счёт общей генерации магнитного поля на более высокий уровень все пары должны перейти в новое состояние и разрушиться ввиду того, что происходит переход из критического состояния на более высокий уровень. При делении происходит процесс возврата на более низкий уровень состояния. Поэтому происходит саморегуляция, т.е. постоянное рождение и разделение куперовских пар, а значит, формируется фаза. И это происходит мгновенно и лавинообразно. Формируется непрерывная сверхпроводящая фаза, которая создаёт суммарный волновой вектор и сверхпроводящее состояние с множеством перекрывающихся куперовских пар с синхронизированным результирующим импульсом.
Процесс формирования и деления куперовских пар в сверхпроводящем потоке со своим магнитным потоком создаёт квантомеханическое движение, имея две различные импульсные величины – это канонический импульс, который определяется длинной волны и подчиняется условиям квантования, и кинетический импульс, который определяет кинетическую энергию сверхпроводящего электрона. Эти величины тесно связаны между собой. Магнитное поле воздействует на движущийся заряженный электрон с силой всегда перпендикулярной скорости, и поэтому изменяет только направление, но не скорость. Магнитное поле изменяет при этом импульс частоты, а её энергия остаётся неизменной. Можно сделать вывод, что сверхпроводящая ЭДС – это не что иное, как квантование магнитного потока в сверхпроводящем потоке, который движется со скоростью света.
Как было сказано в начале, движение электронов со скоростью дрейфа к нагрузке встречает сопротивление тормозящего поля. Движение электронов, образованных делением куперовских пар, со скорость света и обмен энергией между этими электронами и дрейфующими электронами позволяет сообщить дрейфующим электронам энергию для преодоления потенциального барьера тормозящего поля. Скорость движения разделённых электронов куперовской пары равна конечной скорости, что соответствует скорости распространения тормозящего поля. В результате столкновение двух потоков вызывает статическую поляризацию, что увеличивает концентрацию зарядов на дрейфующих электронах. Поэтому при создании правильной организации обмена зарядами произойдет компенсация реактивной мощности и возникновение активной мощности. При этом само движение массы зарядов дрейфующих электронов обеспечит увеличение мощности, рост которой допустим до некоторого предела критического значения. Следовательно, ЭДС сверхпроводимости всегда совпадает с направлением движения переменного тока и создаёт процесс противодействия тормозящему полю, максимально ослабляя сопротивление поля упорядоченному движению электронов. Практическая реализация такого обмена энергией позволяет передать переменный ток от источника к нагрузке без потерь зарядов на оболочках электронов.
На основании открытого явления движение электронов в комбинированном проводнике необходимо характеризовать новой степенью мигрирующего состояния. Описание такого состояния, которое могло бы строиться из описания состояния каждого отдельно взятого электрона, имеющего свое квантовое число, в режиме движения трёх электромагнитных сил, затруднено отсутствием теоретических обоснований в современной физике. Однако, опираясь на квантовую теорию, которая доказывает, что излучение существует, как материя, в любой точке времени и пространства и может усиливаться либо ослабляться по мере действия связей поглощения с образованием новых типов излучения, становится понятным факт отсутствия сопротивления движению электронов первой группы, которая движется со сверхскоростью и отдает свое излучение второй группе, которая, в свою очередь, получает необходимое напряжение для преодоления потенциального барьера сопротивления. При этом электроны второй группы теряют только часть своей кинетической энергии, постоянно восстанавливаясь.
Открытое явление с точки зрения науки, описывающей физические явления микромира, может:
1) характеризовать свободные электроны новой степенью мигрирующего состояния;
2) заложить основу для описания процессов качественного изменения магнитных и электрических свойств материалов-проводников.
Практическое использование открытого явления электродвижущей силы сверхпроводимости позволит решить следующие актуальные задачи производства, распределения и потребления электроэнергии:
1) управление сопротивлением в проводниках с током;
2) поддержание в проводнике неменяющегося напряжения, приложенного к нагрузке потребителя;
3) устранение реакции якоря генерирующих установок с увеличением их мощности более чем в 10 раз при сохранении массы магнитопровода, количества и сечения обмоток статора;
4) управление электрическими установками различной мощности;
5) устранение нагрева в электродвигателях и генераторах;
6) передача тока на большие расстояния, где электрическая передача имеет любую длину и неизменную напряженность, пропускная способность воздушно-кабельных линий значительно выше, чем в существующих системах.
На основании открытого явления разработаны изобретения, защищённые патентами, свидетельствами и приоритетами. В результате практического подтверждения нового способа движения электронов в комбинированном проводнике, основанного на открытом явлении возникновения электродвижущей силы сверхпроводимости, появилась возможность создавать электрогенерирующие установки, потребляющие минимальный объём сырья, и получать электроэнергию большего объёма за счёт электроэнергии меньшего объёма путем дублирования электроэнергии с её дальнейшим прогрессивным увеличением, и передавать ток на большие расстояния без потерь, обеспечивая энергией потребителя любого типа.
Литература
1. Буккель В. Сверхпроводимость. Основы и приложения. Перевод с немецкого к.т.н. Ю.А.Башкиров. Издательство «Мир». Москва 1975 – 366., ил.;
2. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 2001. – 464 с., с. 9-12;
3. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов/И.П. Копылов. – 3-е изд., испр.- М.: Высш. шк., 2002 – 607 с.;
4. Савельев И.В. Курс общей физики: КН2. Электричество и магнетизм: Учеб. пособие для вузов- М.: ООО «Издательство Астра», 2003 – 336 с.; Ил.;
5. Трофимова Т.И. Курс физики. 7-е изд.- М.: Высшая шк., 2002. – 542 с., с.174, с.223-226, с.247, с. 297 – 298, с. 440 – 441.