Энергетические характеристики.

Энергетические расходные характеристики электрических станций строятся при наличии энергетических характеристик цехов соответствующих определенному сочетанию работы агрегатов внутри цеха и при условии соблюдения определенного технического минимума и максимума нагрузки на станции.

В основу расчета положен метод энергетического баланса, т.е. равенство полезной мощности предыдущей ступени и подведенной мощности последующей ступени.

Экономичность работы электростанции в целом оценивается на основе энергетической характеристики станции нетто, учитывающей расход энергии на собственные нужды.

Характеристика электростанции строится путем объединения характеристик цехов:

Имея графическое изображение всех цеховых характеристик, можно построить характеристику станции. При построении этой характеристики обязательно выявляются точки излома всех характеристик, поэтому целесообразнее построение
начинать с точек излома цеховых характеристик.

Графическое изображение расходной характеристики электростанции может быть использовано только для определенного состава работающего оборудования.

В реальных условиях эксплуатации состав работающего оборудования в каждой фазе производства не остается постоянным. Кроме того, изменяются и условия эксплуатации (качество топлива, величина вакуума и т.д.).

Работать с графиком в оперативном режиме трудно. Поэтому используют алгоритмы построения этой характеристики, разрабатывают соответствующие программы и используют их в ПЭВМ.

Еще более осложняется построение энергетических характеристик ТЭЦ, имеющей переменный режим тепловых нагрузок. В этом случае необходимо строить семейство характеристик для последовательных значений тепловой нагрузки.

Энергетические характеристики ГЭС.

Для характеристики работы ГЭС анализируют несколько видов энергетических характеристик.

Н– напор при постоянном расходе воды

Групповая характеристика.

Обычно на ГЭС устанавливаются одинаковые агрегаты (имеющие одинаковые расходные характеристики). Поэтому групповые характеристики для агрегатов ГЭС строятся путем сложения ординат отдельных характеристик.

Экономическая оптимизация

режимов работы энергосистемы.

При совместной работе электрических станций ставится задача достижения наибольшей экономичности в энергосистеме в целом. Для этого суммарная нагрузка энергосистемы распределяется между электростанциями либо по min относительных приростов (если характеристики прямолинейные), либо по равенству относительных приростов (если характеристики криволинейные).

Могут быть два метода решения: графический и табличный.

Если характеристики криволинейные, то нагрузка распределяется по принципу равенства относительных приростов.

Табличный способ.

В энергосистеме имеется пять электростанций.

Если нагрузка находится между
диспетчер смотрит какая станция сможет принять дополнительную нагрузку.

Зная величины относительных приростов можно составить либо графическим способом, либо табличным расходную энергетическую характеристику в целом по энергосистеме.

Использование расходной энергетической характеристики по энергосистеме связано с учетом ряда ограничивающих условий:

При распределении нагрузки между электростанциями необходимо учитывать не только величину относительного прироста, но и цену топлива, которое

расходуется на каждой станции. Распределять нагрузку необходимо не по minimumu , а по.
т.е. поminили равенству топливной составляющей себестоимости (
).

2. Необходимо учитывать складывающийся топливно-энергетический баланс, по которому на некоторый период станция вынуждена сжигать тот или иной вид топлива (сжигание попутного газа, сжигание бурых углей из старых запасов, коксового газа и т.п.)

3. Необходимо учитывать наличие в энергосистеме ГЭС наряду с ТЭС.

В этом случае вводится понятие топливной эффективности ГЭС

– относительный прирост ГЭС по усл. топливу.

– дают метеорологи в январе на следующий год.

4. Необходимо учитывать эффект у потребителя, т.е. прирост относительных потерь в сетях, приходящихся на каждый кВт передаваемой мощности.

– относительные потери.

5. Необходимо учитывать покрытие потерь реактивной нагрузки. Для этого используются компенсирующие устройства у потребителей или генераторы на станциях. Распределение реактивной нагрузки происходит по max относительных приростов, т.е. загружаются в первую очередь станции с малоэкономичными агрегатами и находящиеся в центре реактивной нагрузки.

6. Необходимо учитывать перетоки электроэнергии и мощности из одной энергосистемы в другую.

I– экономия получается в целом по энергообъединению при перетоках энергии и мощности из более экономичной энергосистемы в менее (эффект за счет разности
).

II– дополнительные потери, которые получаются при передаче. Снижают экономическую эффективность перетока.

III– результирующая кривая.

С течением времени
будет увеличиваться, а
– уменьшаться (отключение менее экономичных агрегатов).

Для описания "поведения" энергии в экосистемах подходит понятие "поток энергии", поскольку в отличие от циклического движения веществ превращения энергии идут в одном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и утрачивается для экосистемы. Энергия может накапливаться, сберегаться (т.е. преобразовываться в более эффективные формы) и передаваться из одной части системы в другую, но она не может быть снова пущена в дело, как вода и минеральные вещества. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны. Каждый живой компонент, будь это организм или экосистема, должен получить от своей среды на входе постоянный приток энергии.

Основной источник практически всей энергии на Земле - Солнце. На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал·см -2 ·мин -1 . Проходя через атмосферу, излучение экспоненциально ослабляется атмосферными газами и пылью и в ясный летний полдень до поверхности Земли может дойти не более 67 % его энергии. Степень этого ослабления зависит от длины волны (частоты) света. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 300 нм, почти не проходит через озоновый слой, имеющийся в атмосфере на высоте около 25 км, и это очень удачно, поскольку такое излучение летально для незащищенной протоплазмы. Излучение в оптической области (видимый свет) ослабляется равномерно, а инфракрасное излучение поглощается в атмосфере неодинаково в зависимости от длины волны. Лучистая энергия, достигающая земной поверхности в ясный день, состоит примерно на 10 % из ультрафиолетового излучения, на 45 % - из видимого света и на 45 % - из инфракрасного. Меньше всего при прохождении через плотные облака и воду ослабляется видимый свет. Следовательно, фотосинтез, нуждающийся именно в видимом свате, может идти и в пасмурные дни, и под слоем чистой воды некоторой толщины (10-20 м). Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день обычно варьирует от 100 до 800 кал·см -2 , в среднем составляя около 300 - 400 кал·см -2 (3000 - 4000 ккал·м -2) или 1,1 - 1,5 млн. ккал·м -2 ·год -1 Растительность сильно поглощает синие и красные лучи, а также дальнее инфракрасное излучение; зеленый свет поглощается не так сильно (мы видим в отраженном свете, поэтому растительность для нас преимущественно зеленых оттенков); ближнее инфракрасное излучение - очень слабо. Тенистая прохлада создается в лесу благодаря тому, что листва поглощает много видимого и дальнего инфракрасного излучения. Синий и красный свет (400-500 и 600-700 нм соответственно) поглощаются особенно сильно хлорофиллом, а энергия дальнего инфракрасного излучения - водой, содержащейся в листьях, и окружающими их водяными парами. Таким образом, зеленые растения эффективно поглощают синий и красный свет, наиболее важный для фотосинтеза. Как бы отбрасывая ближнее ИК-излучение, несущее основную часть солнечной тепловой энергии, листья наземных растений избегают опасного перегрева. Кроме того, листья охлаждаются за счет испарения, а водные растения, разумеется, охлаждаются водой.

Таблица 1.

Рассеяние энергии солнечного излучения (в % от годового поступления в биосферу). (По Hulbert, 1971.)

Судьба солнечной энергии, поступающей в биосферу, кратко рассмотрена в табл. 1. Хотя всего лишь около 1 % энергии переходит в пищу и другую биомассу, те примерно 70 %, которые преобразуются в тепло, уходят на испарение, осадки, ветер и т.д., не теряются зря, т.к. эта энергия поддерживает температуру и приводит к действие системы погоды и круговорот воды, необходимые для жизни на Земле.

Другой энергетический компонент среды обитания - тепловое излучение. Оно исходит от всех поверхностей и тел, температура которых выше абсолютного нуля. Это не только почва, вода и растения, но и облака, излучающие вниз, на экосистемы, значительные количества тепловой энергии. Потоки длинноволнового излучения, разумеется, распространяются беспрестанно и во всех направлениях, а солнечный компонент (прямая солнечная радиация) имеет четкую направленность и поступает только днем. Следовательно, количество тепловой энергии, получаемой со всех сторон за сутки летом животным на открытом пространстве или листом растения, может в несколько раз превышать направленное прямо вниз излучение Солнца. Кроме того, тепловая энергия поглоща­ется биомассой полнее, чем солнечное излучение.

Условия существования организмов (температура, скорость испарения воды, движения воздуха и воды) определяются общим потоком излучения, но для продуктивности экосистемы и для круговорота биогенных элементов в ней важнее суммарное прямое солнечное излучение, попадающее на автотрофный ярус экосистемы, т.е. солнечная энергия, получаемая зелеными растениями за недели, месяцы, весь год. Этот приток первичной энергии приводит в действие все биологические системы. Итак, мы подошли к концепции продуктивности.

Лекция 4.

Энергия и продуктивность.

1. Концепция продуктивности.

2. Энергетическая классификация систем.

3. Концепция градиента от субсидии до стресса.

Концепция продуктивности

Первичная продуктивность экологической системы, сообщества или любой их части определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами (главным образом зелеными растениями) в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.

В процессе производства органического вещества следует выделить четыре последовательных уровня, или ступени.

1. Валовая первичная продуктивность - это общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были израсходованы на дыхание ("валовый фотосинтез", "общая ассимиляция").

2. Чистая первичная продуктивность - скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период ("наблюдаемый фотосинтез", "чистая ассимиляция").

3. Чистая продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (т.е. чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за учетный период.

4. Вторичная продуктивность - скорость накопления энергии на уровнях консументов.

Высокие скорости продуцирования наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где физические факторы благоприятны, и особенно при поступлении дополнительной энергии извне, уменьшающем собственные затраты на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: в тропическом дождевом лесу - в форме работы ветра и дождя, в эстуарии - в форме энергии прилива, на возделываемом поле - в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным. Оценивая продуктивность экосистемы, необходимо учитывать как утечки энергии, связанные со сбором урожая, загрязнением среды, неблагоприятными климатическими условиями и другими типами стрессовых воздействий, способствующих отведению энергии от процесса продукции, так и поступления энергии, которые увеличивают продуктивность, компенсируя потери тепла при дыхании (при "откачивании неупорядоченности") необходимые для поддержания биологической структуры.

Всякий источник энергии, уменьшающий затраты на самоподдержание экосистемы и увеличивающий ту долю энергии, которая может перейти в продукцию, называется вспомогательным потоком энергии или энергетической субсидией.

Энергетическая классификация систем .

Источник и качество доступной энергии в той или иной степени определяют видовой состав и численность организмов, характер функциональных процессов, протекающих в экосистеме, и процессов ее развития, а также образ жизни человека. Энергия - общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем, как сконструированных человеком, так и природных, следовательно, логично принять энергию за основу для "первичной классификации экосистем. Удобно выделить на этой основе четыре фундаментальных типа экосистем.

1. природные, движимые Солнцем, несубсидируемые;

2. природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками энергии;

3. движимые Солнцем и субсидируемые человеком;

4. индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным).

Энергетическая классификация основана на свойствах среды на входе, она коренным образом отличается от биомной классификации, основанной на внутренней структуре экосистем, но вместе с тем и дополняет ее.

Природные системы, в основном или полностью зависящие от прямого солнечного излучения, можно назвать движимыми Солнцем несубсидируемыми экосистемами. Они совсем или почти не получают дополнительной энергии, помимо солнечного света. К числу таких экосистем можно отнести открытие океаны, крупные участки горных лесов, грасленды и большие глубокие озера. Часто на них накладываются и другие ограничения, например, нехватка элементов питания и воды. Поэтому хотя экосистемы этой обширной группы весьма различны, все они получают мало энергии (от 1000 - 10000 ккал·м -2 ·год -1) и имеют низкую продуктивность или способность выполнять работу. Организмы, живущие в таких системах, выработали замечательные адаптации к существованию на скудном пайке энергии и других ресурсов и к эффективному их использованию.

Хотя мощность природных экосистем, относящихся к первой категории, не очень впечатляет, и они не способны поддерживать высокую плотность населения, тем не менее такие экосистемы крайне важны, так как занимают огромные площади (одни лишь океаны - до 70 % площади земного шара). Весь комплекс движимых Солнцем природных экосистем крайне важен для человека, это по сути дела основной "модуль жизнеобеспечения", гомеостат, стабилизирующий и поддерживающий условия на "космическом корабле", имя которому Земля; именно здесь ежедневно очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот вода, формируются климатические условия, измеряются крайности погоды и выполняется множество других полезных функций.

Если помимо солнечного света могут быть использованы какие-то дополнительные источники энергии, плотность мощности может быть значительно повышена, порой даже на порядок величины (10000 - 40000 ккал·м -2 ·год -1). В этом случае несолнечная энергия частично заменяет солнечную, сокращая расходы на самоподдержание системы и высвобождает солнечную энергию на производство органических веществ. Источники дополнительной энергии могут быть как естественными, так и искусственными. Для простоты классификации выделены категории: движимые Солнцем экосистемы с естественными и с искусственными энергетическими субсидиями.

Вспомогательная энергия, увеличивающая продуктивность, может поступать в самых разнообразных формах, например, в тропическом дождевом лесу - в форме ветра и дождя, в небольшом озере - в форме потока воды из ручья, или поступающих с площади водосбора органических веществ и минеральных элементов. Прибрежная часть эстуария - хороший пример природной экосистемы с дополнительной энергией приливов, прибоя и течений. Поскольку приливы и течения воды способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов питания и перемещению пищи и отходов, организмы в эстуарии могут, так сказать, сконцентрировать свои усилия на более эффективном превращении энергии Солнца в органическое вещество.

Человек также давно научился изменять природу и использовать вспомогательные источники энергии для получения прямой выгоды, а его умение не только увеличивать продуктивность, но и направлять эту продуктивность на производство пищевых и волокнистых материалов, легко собираемых, перерабатываемых и используемых, постоянно растет. Наземные и водные агроэкосистемы - основные примеры систем движимых Солнцем и субсидируемых человеком. Высокая продуктивность поддерживается большими поступлениями энергии топлива (а при более примитивных системах сельского хозяйства - мышечных усилий человека и животных). Эта энергия тратится на возделывание, орошение и удобрение, селекцию и борьбу с вредителями. Самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне самых продуктивных природных экосистем: по-видимому, верхний предел для любой постоянной, длительно функционирующей системы, основанной на фотосинтезе, составляет примерно 50000 ккал·м -2 ·год -1 . Действительное различие между природными и искусственными экосистемами состоит лишь в распределении этого потока энергии. Человек старается направить как можно больше энергии на производство продуктов питания, которые он может немедленно использовать, а природа обычно распределяет продукты фотосинтеза между многими видами и веществами и накапливает энергию "на черный день", это, так называемая, стратегия повышения разнообразия в целях выживания.

В экосистеме, движимой топливом высококонцентрированная потенциальная энергия топлива не просто дополняет, а заменяет солнечную энергию. При современных методах ведения городского хозяйства солнечная энергия в самом городе не только не используется, но становится дорогостоящей помехой, так как она нагревает бетон и способствует образованию смога. Важное свойство экосистем, движимых горючим - огромная потребность в энергии плотно населенных индустриально-городских районов, она по меньшей мере на 2-3 порядка больше того потока энергии, который поддерживает жизнь в естественных условиях. Килокалории энергии, ежегодно протекающие через квадратный метр индустриального города, исчисляется уже не тысячами, а миллионами (100000 - 3000000 ккал·м -2 ·год -1). Вот почему множество людей могут жить на небольшой территории.

Рассматривая общую концепцию энергетических субсидий надо сделать еще одно замечание, фактор, который при одних условиях среды или при одном уровне поступлений увеличивает продуктивность, при других условиях среды или другом уровне поступлений может способствовать утечкам энергии, уменьшая продуктивность. Слишком много хорошего также вредит системе, как и слишком мало. Например, некоторые виды загрязнений - обработанные сточные воды, могут в зависимости от объема и периодичности сброса оказаться либо благоприятным фактором, либо источником стресса. Если обработанные сточные воды попадают в экосистему с постоянной умеренной скоростью, то они, доставляя в систему микроэлементы, могут способствовать повышению продуктивности, однако массовый их сброс через нерегулярные промежутки времени может почти полностью уничтожить систему как биологическую единицу.

В нашу жизнь уже вошло и стало привычным слово “биополе”. Но все вкладывают разный смысл в это понятие. Есть “умельцы”, которые говорят, что они могут измерить, определить биополе у человека. Самое любопытное, что измеряют, и определяют, играя на невежестве измеряемых и определяемых, причём, неплохо зарабатывая на этом.

Как мы уже договорились ранее, энергии (силы) Высших Миров (ВМ) можно определять, исследовать только с помощью сверхспособностей человека и никак иначе. То, что определяют умельцы с помощью приборов или приспособлений типа рамок, маятников - это всё относится к Физическому миру, к плотному миру.

Вот моё определение биополя - это “сумма” энергетических тел. С помощью техники и рамок можно определить с большой натяжкой только переходящую часть и только эфирного тела, это доли процента, а основную часть, более 99 процентов, с помощью средств Физического Мира определять, исследовать абсолютно НЕЛЬЗЯ, это просто НЕВОЗМОЖНО. А уж тем более, как можно судить о биополе по долям процента?

Только много практикующие люди, обладающие сверхспособностями, хорошо развитые в природном направлении, могут с высокой достоверностью определять, исследовать биополе человека, животных, растений, минералов, Земли и так далее.

Лично я - не сторонник исследований только биополя (конечно, как суммы энергетических тел), чтобы определить биоэнергетическую “мощь” человека. Считаю, что для полного определения биоэнергетического состояния человека нужно исследовать КАЖДОЕ энергетическое тело (все шесть), связь между ними. Может случиться, что каждое тело само по себе мощное, а связь между ними недостаточная для их комплексной, а она важна, работы.

Особенно необходимо проверить качественное состояние трёх магистральных каналов - Ида, Пингала, Сушумна. Затем необходимо исследовать и 7 основных чакр. Вот только после этого с довольно высокой степенью достоверности можно дать оценку биоэнергетического состояния человека.

Всё остальное будет давать очень неполную картину, часто с очень серьёзной дезинформацией. Тому у меня много примеров.

Сформулируем некоторые требования к подобным специалистам, умеющим проводить биоэнергетические исследования. Самое главное - у этих людей должны быть природные высокоразвитые сверхспособности. Основные требования:

Иметь от рождения явно выраженные сверхспособности;

Постоянно их развивать, иметь постоянную практику;

Должны соблюдаться все законы Природы, Космоса, Мироздания, которые уже известны (на определённом уровне) человечеству;

Не иметь в своём организме чёрной энергии;

Постоянно и осознанно идти духовным путём развития, путём ВЫСШЕЙ духовности;

Знать о своей специализации сверхспособностей, иметь практический опыт.

Для начала хватит и этих требований, в вообще-то их очень много. Вот таким людям можно доверять исследование вашего биоэнергетического состояния. Всё остальное - от лукавого.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СТОЛБ (или поток) космической энергии, входящий в голову (в Сахасрару) человека - это очень важная характеристика. Это наша энерго - информационная связь с Мирозданием. В зависимости от уровня развития человека, его устремлённости к развитию этот столб имеет определённые характеристики. А именно:

Плотность,

Цвет (или цвета),

Количество информационных каналов,

Наличие и вид конструкций на нём.

Есть ещё ряд характеристик. Исследовать этот столб могут только ясновидящие высокого уровня, с большой практикой.

Самые лучшие цвета - белый, золотистый, голубой, всевозможные (а это встречается чаще всего) сочетания из них.

Очень страшно, когда столб чёрный, то есть этот человек связан с Чёрными Силами, с Хаосом, является сотрудником Чёрных Сил вольно или невольно. Образование чёрного столба происходит постепенно, незаметно, по мере накопления человеком чёрной энергии, наличия в его организме чёрных сущностей. Этот чёрный столб, конечно, разрушает человека и, обратите внимание, начиная с головы, то есть с мозга, нарушает нормальное его функционирование, коренным образом меняя образ мышления.

Чёрный столб формируется не сразу, не быстро. Когда рождается ребёнок, он имеет светлый столб (“чистая душа ребёнка”), хотя неразумные родители уже могут внести свою чёрную лепту в энергетический комплекс ребёнка. Я уже говорил об этом выше. И заработает закон “Подобное - к подобному”. А дальше уже легко домыслить.

Количество и качество информационных каналов зависит от устремлённости человека, его духовного развития, совершенства его сверхсознания - надсознания. Если провести некую аналогию, то этот столб - как бы своеобразная антенна в действии. Как много конструкций антенн, примерно так много как и конструкций столбов. Но автором - конструктором своего энергетического столба является сам человек. Естественно, что пополнение человека энергией зависит от состояния энергетических каналов и энергетических центров (чакр).

Всевозможные конструкции на энергетическом столбе - это результат конкретных действий человека на пути выполнения своей миссии, например, духовного целительства, просветительства и создания энерго - силовых программ.

Насчёт остальных характеристик вы и сами поймёте, чем шире и плотнее этот столб, тем лучше.

Ещё одной характеристикой человека является АУРА. Нужно определиться с этим понятием. Само слово АУРА имеет несколько значений. При определении характеристик человека под аурой я понимаю энергию мышления, мыслительных процессов сознания и подсознания. Аура в моём понимании ассоциируется с Ореолом. Аура образуется вокруг головы.

А всё остальное - это энергетические тела, как бы их сумма. Аура, как мыслительная, ментальная энергия, имеет три вида.

Аура ПЕРВАЯ - это сиюминутные мысли, скоротечные, неустойчивые, подчас очень кратковременные, как правило, не имеющие принципиального характера. Эту ауру можно увидеть физическим зрением, имеющим широкий диапазон, глядя прямо на человека, вокруг его головы, желательно на сером фоне. Диагностика по этой ауре носит весьма приблизительный характер, часто ошибочный.

Аура ВТОРАЯ - это уже энергия более длительных мыслительных процессов, продолжающихся недели, месяцы, годы. Например, эта аура является результатом мыслительных процессов во время учёбы, при работе над решением различных проблем, над открытиями, изобретениями, при осмыслении своего физического или иных состояний. Эта аура отражает некоторые черты характера человека, его серьёзные заболевания, особенно хронические. По этой ауре уже можно проводить диагностику с более высокой достоверностью, чем по первой ауре. Вторую ауру могут “читать” только ясновидящие высокого уровня, смотреть на исследуемого физическим зрением совершенно не обязательно.

Аура ТРЕТЬЯ - это энергетическая характеристика очень длительного времени, формирующаяся годы, десятилетия, показывает общий уровень развития человека. Диагностика по третьей ауре является самой полной и максимально достоверной, уровень достоверности по этой ауре будет определяться уровнем ясновидения диагноста. Третью ауру могут полностью ”прочитать” ясновидящие с высочайшим уровнем развития. В настоящее время на Земле таких не более... 10!

К характеристикам человека можно отнести и его ”специализацию” сверхспособностей:

Ясновидение, которое делится на: астральное, ментальное, причинное, психического тела и, самое высшее, духовное ясновидение;

Яснослышание, которое делится на такие же разновидности - уровни;

Сверхобоняние, сверхосязание, сверхвкус, сверхинтуиция.

Конечно, есть ещё целый ряд энергетических характеристик человека, но для общего и принципиального представления перечисленных выше характеристик достаточно, а так же для того, чтобы сделать выводы, как мы ещё мало знаем о себе.

А великая мудрость гласит: “Познай себя, и ты познаешь мир!”, а не наоборот!

Объемная плотность энергии (\¥ р) - энергия колебательного движения частиц среды, содержащихся в единице ее объема:

Где ρ - плотность среды, А - амплитуда колебаний частиц, ω - частота волны.

При распространении волны энергия, сообщаемая источником, переносится в удаленные области.

Для количественного описания переноса энергии вводят следующие величины.

Поток энергии (Ф) - величина, равная энергии, переносимой волной через данную поверхность за единицу времени:

Интенсивность волны или плотность потока энергии (I) - величина, равная потоку энергии, переносимой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

Можно показать, что интенсивность волны равна произведению скорости ее распространения на объемную плотность энергии

2.5. Некоторые специальные разновидности

Волн

1. Ударные волны. При распространении звуковых волн скорость колебания частиц не превышает нескольких см/с, т.е. она в сотни раз меньше скорости волны. При сильных возмущениях (взрыв, движение тел со сверхзвуковой скоростью, мощный электрических разряд) скорость колеблющихся частиц среды может стать сравнимой со скоростью звука. При этом возникает эффект, называемый ударной волной.

При взрыве нагретые до высоких температур продукты, обладающие большой плотностью, расширяются и сжимают тонкий слой окружающего воздуха.

Ударная волна - распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит скачкообразное возрастание давления, плотности и скорости движения вещества.

Ударная волна может обладать значительной энергией. Так, при ядерном взрыве на образование ударной волны в окружающей среде затрачивается около 50 % всей энергии взрыва. Ударная волна, достигая объектов, способна вызвать разрушения.

2. Поверхностные волны. Наряду с объемными волнами в сплошных средах при наличии протяженных границ могут существовать волны, локализованные вблизи границ, которые играют роль волноводов. Таковы, в частности, поверхностные волны в жидкости и упругой среде, открытые английским физиком В. Стреттом (лордом Релеем) в 90-х годах 19 века. В идеальном случае волны Релея распространяются вдоль границы полупространства, экспоненциально затухая в поперечном направлении. В результате поверхностные волны локализуют энергию возмущений, созданных на поверхности, в сравнительно узком приповерхностном слое.

Поверхностные волны - волны, которые распространяются вдоль свободной поверхности тела или вдоль границы тела с другими средами и быстро затухают при удалении от границы.

Примером таких волн могут служить волны в земной коре (сейсмические волны). Глубина проникновения поверхностных волн составляет несколько длин волн. На глубине, равной длине волны λ, объемная плотность энергии волны составляет приблизительно 0,05 ее объемной плотности на поверхности. Амплитуда смещения быстро убывает при удалении от поверхности и на глубине нескольких длин волн практически исчезает.

3. Волны возбуждения в активных средах.

Активно возбудимая, или активная, среда - непрерывная среда, состоящая из большого числа элементов, каждый из которых обладает запасом энергии.

При этом каждый элемент может находиться в одном из трех состояний: 1 - возбуждение, 2 - рефрактерность (невозбудимость в течение определенного времени после возбуждения), 3 - покой. В возбуждение могут перейти элементы только из состояния покоя. Волны возбуждения в активных средах называют автоволнами. Автоволны - это самоподдерживающиеся волны в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии.

Характеристики автоволны - период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и форма - в установившемся режиме зависят только от локальных свойств среды и не зависят от начальных условий. В табл. 2.2 представлено сходство и различие автоволн и обычных механических волн.

Автоволны можно сопоставить с распространением пожара в степи. Пламя распространяется по области с распределенными запасами энергии (по сухой траве). Каждый последующий элемент (сухая травинка) зажигается от предыдущего. И таким образом распространяется фронт волны возбуждения (пламя) по активной среде (сухой траве). При встрече двух очагов пожара пламя исчезает, так как исчерпаны запасы энергии - вся трава выгорела.

Описание процессов распространения автоволн в активных средах используется при изучении распространения потенциалов действия по нервным и мышечным волокнам.

Таблица 2.2. Сравнение автоволн и обычных механических волн

Распространение колебаний из одного места в другое называется волновым движением, или просто волной .

Механические волны образуются вследствие простых гармонических колебаний частиц среды от их среднего положения. Вещество среды не перемещается при этом из одного места в другое. Но частицы среды, передающие друг другу энергию, необходимы для распространения механических волн.

Таким образом, механическая волна является возмущением материальной среды, которое проходит эту среду с определенной скоростью, не изменяя своей формы.

Если в воду бросить камень, от места возмущения среды побежит одиночная волна. Однако волны иногда могут быть периодическими. Например, вибрирующий камертон производит попеременные сжатия и разрежения окружающего его воздуха. Эти возмущения, воспринимаемые как звук, происходят периодически с частотой колебаний камертона.

Существуют механические волны двух видов.

(1) Поперечная волна . Этот вид волн характеризуется вибрацией частиц среды под прямым углом к направлению распространения волны. Поперечные механические волны могут возникать только в твердых веществах и на поверхности жидкостей.

В поперечной волне все частицы среды осуществляют простое гармоническое колебание возле своих средних положений. Положение максимального смещения вверх называется "пиком ", а положение максимального смещения вниз - "впадиной ". Расстояние между двумя последующими пиками или впадинами называется длиной поперечной волны λ.

(2) Продольная волна . Этот вид волн характеризуется колебаниями частиц среды вдоль направления распространения волны. Продольные волны могут распространяться в жидкостях, газах и твердых телах.

В продольной волне все частицы среды также осуществляют простое гармоническое колебание около их среднего положения. В некоторых местах частицы среды расположены ближе, а в других местах - дальше, чем в нормальном состоянии.

Места, где частицы расположены близко, называются областями сжатия , а места где они находятся далеко друг от друга - областями разрежения . Расстояние между двумя последовательными сжатиями или разрежениями называются длиной продольной волны.

Выделяют следующие характеристики волн .

(1) Амплитуда - максимальное смещение колеблющейся частицы среды от ее положения равновесия (A ).

(2) Период – время, необходимое частице для одного полного колебания (T ).

(3) Частота - количество колебаний, произведенных частицей среды, за единицу времени (ν). Между частотой волны и ее периодом существует обратная зависимость: ν = 1/T .

(4) Фаза колеблющейся частицы в любой момент определяет ее положение и направление движения в данный момент. Фаза представляет собой часть длины волны или периода времени.

(5) Скорость волны является скоростью распространения в пространстве пика волны (v).

Совокупность частиц среды, колеблющихся в одинаковой фазе, формирует фронт волны. С этой точки зрения, волны делятся на два вида.

(1) Если источник волны является точкой, из которой она распространяется во всех направлениях, то образуется сферическая волна .

(2) Если источник волны колеблющаяся плоская поверхность, то образуетсяплоская волна .

Смещение частиц плоской волны можно описать общим уравнением для всех типов волнового движения: S = A·sin ω · (t - x/v) (10)

Это означает, что величина смещения (S ) для каждой значения времени (t ) и расстояния от источника волны (x ) зависит от амплитуды колебания (A ), угловой частоты (ω ) и скорости волны (v).

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

Рис. 1.7

Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.

При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K - числовое значение коэффициента усиления по напряжению.

Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC - цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.

Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде - графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.

Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

Рис. 1.8

В том случае когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC - цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно - частотной и фазово - частотной характеристик.

Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + . Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .

Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Скорость нарастания выходного напряжения U вых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U вых до 0,9U вых. Время установления выходного напряжения t уст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры U вых и t уст. Для ОУ U вых = 0.1:100 в/мкс, а t уст = 0.05:2 мкс.

7. Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для получения напряжения, которое в течение некоторого времени нарастает или спадает по линейному или близкому к линейному закону и используется в каскадах сравнения, схемах временной задержки импульсов, для получения временных разверток в электронно-лучевых трубках и т.д. Реализация ГЛИНа на ОУ и временные диаграммы входного и выходного напряжений даны на рис.8.16. Принцип работы основан на применении зарядного или разрядного устройства, интегрирующего конденсатора C и электронного ключа на транзисторе VT . При закрытом состоянии ключа происходит заряд конденсатора C от Е зар. через R 3 с постоянной времени t зар =R 3 C , что определяет длительность прямого (рабочего) хода. Замыкание ключа приводит к быстрой разрядке конденсатора и время обратного хода определяется сопротивлением насыщенного транзистора. Выходное напряжение повторяет форму напряжения на конденсаторе C и имеет вид “пилы”.

Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением(ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (рис.20.1)

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами:периодом Т, длительностью рабочего хода Т р, длительностью обратного хода Т обр, амплитудой U m , коэффициентом нелинейности

где |du/dt| t=0 и |du/dt| t= Tp − соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода.В ГЛИН, используемых на практике, Т р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U m −от единиц до тысяч вольт, Т обр −от 1 до 50% от Т р. В большинстве реальных схем ε<1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. Функциональная схема ГЛИН должна иметь вид, показанный на рис.20.2.

На рис.20.3,а приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами u вх отрицательной полярности (рис.20.3,б ). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут) ,что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R б и R к. При воздействии входного импульса длительностью Т р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е к через резистор R к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте:u c =E к (1−e - t /(RC)). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U m /E к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На рис.20.4, приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.

8. Сглаживающие фильтры (ем­костные и индуктивные)

Сглаживающие фильтры

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для умень­шения пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэф­фициенты пульсаций выпрямленных напряжений:

Для однополупериодного однофазного выпрямителя..... 1,57

» двухполупериодного однофазного выпрямителя..... 0,67

» трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом. . . 0,25

» трехфазного мостового выпрямителя.......... 0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухуд­шается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов ав­томатических систем он не должен превышать 10~2-10~3, для вы­ходных усилительных каскадов-10~4-10~5, для автогенерато­ров - 10~5-10~6, а для входных каскадов электронных измери­тельных устройств - 10~6-10~7. напряжения с

Основными элементами сглаживающих фильтров являются кон­денсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления ко­торых различны для постоянного и переменного токов. Для постоян­ного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а со противление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление тран­зистора постоянному току (статическое сопротивление) на два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффек­тивность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q = pвх/pвых

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напря­жения на элементах, минимальные габариты, массу, и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают ем­костные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и много­звенные.

Емкостные фильтры. Рис. 9.8. Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с ем­костным фильтром

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис. 9.8, а) Работу емкостного фильтра удобно рас­сматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.8, б. В интервал времени t1- t2 конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения U2,так как в этот период напряжение u2>>uс. В это время ток ia = ic + in-В интервал времени t2-t3 когда напряжение U2 становится меньше напряжения на конденсаторе uс, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн, которая имеется в однополупериодном вы­прямителе в отсутствие фильтра.

Индуктивные фильтры . Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф включают последовательно с нагрузочным резистором Rн (рис. 9.9, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рас­смотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.9, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток iн нагрузоч­ного резистора Rн получается сглаженным. Действительно, вследст­вие того, что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напря­жения u2, зависит от постоянной времени t==Lф/Rн длительность импульса тока увеличивается с ростом t. Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением