# За что дали "глобальную энергию"

Леонид Александрович Ашкинази

За что дали "глобальную энергию"


О премии "Глобальная энергия" написали все издания. Но писали они в основном о том кому дали, как устроена процедура, сколько и чего дали, откуда взялись деньги и чьей поддержкой пользовался проект. Словом, писали обо всем, кроме собственно дела - за какие именно открытия, свершения, научные и технические результаты дали премию.


А может быть, и хорошо, что не писали. Одна весьма респектабельная газета решилась на фразу по сути - и изрекла, что светодиоды - основа современной энергетики. Как говорил один мой негуманный соученик - "молчи - за умного сойдешь".


Придется нам рассказать немного о тех вещах, за которые дали премию. Только уж извините, о светодиодах мы не будем - о них наш журнал уже писал. И вообще, мы расскажем не обо всем, а о том, что носило более научный, нежели технический, характер. Ибо не очень понятно, как рассказать людям, далеким от техники, о разработке конструкции импульсных генераторов, трансформаторов, коммутаторов и линий передачи (Г.Месяц) или о разработке новых конструкций импульсных трансформаторов и линий передач (Я.Смит). Мы расскажем о некоторых из тех физических эффектов, которые лежат в основе результатов Г.Месяца, Я.Смита и Н.Холоньяка и которые могут быть поняты на основе школьного курса физики.


Взрывная эмиссия (Г.Месяц)


Пусть у нас есть два металлических электрода, находящихся в вакууме. Приложим к ним напряжение и будем его, затаив дыхание, увеличивать. Включенный в цепь микроамперметр начнет показывать ток, причем ток этот окажется не вполне стабилен. При одном и том же напряжении он будет слегка колебаться. Это - автоэлектронная эмиссия. Электрон не идеально локализован - согласно законам квантового мира, он слегка размазан по пространству. Правда, эта "размазанность" составляет величину порядка ангстрема, или 0,1 ммк. Но если напряженность поля столь велика, что, оказавшись на этом расстоянии от металла, электрон обретает (за счет действия поля) энергию, достаточную для того, чтобы покинуть металл совсем, - то он его и покинет. Улетит и долетит до второго электрода. Но для того, чтобы при мало-мальски реальных зазорах получить искомую напряженность поля, нужны нереально высокие напряжения. Ситуацию спасает то, что металл, даже после шлифовки, не вполне гладок - на нем есть выступы и острия. На них напряженность поля выше, и именно с этих острий, металлических усиков, и идет в вакуум ток автоэлектронной эмиссии. При этом усики могут разрушаться, поэтому ток автоэмиссии не очень стабилен.


Но если сильно поднять напряжение, ток автоэмиссии увеличивается настолько, что нагревает усик до испарения. Образуется маленькое облачко ионизированного пара, состоящее из атомов, ионов и электронов. Электрическое поле выдергивает из этого облачка часть электронов, которые радостно летят на второй электрон. Это и есть взрывная эмиссия. Ее открыли одновременно Г.Месяц и Г.Н.Фурсей. И это - важный способ получения мощных и коротких импульсов тока в вакууме. Мощных - потому, что напряжение может при этом процессе достигать 1 МВ, ток - 10 кА, а коротких (1-100 нс) - потому, что вещества во взрывающемся острие немного и оно быстро расходуется.


Обходиться случайно образовавшимися на металл остриями не обязательно - взрывную эмиссию можно и нужно получать со специально изготовленных электродов, содержащих проволочки или углеродные нити. В этом случае сами импульсы оказываются с меньшим разбросом параметров. Удается получать эмиссию и с жидкого металла, но для этого надо или высунуть кончик этого металла из диэлектрического капилляра, или сделать поверхность металла волнистой, например, возбудив в нем ультразвуковые колебания.


Зачем могут понадобиться мощные и короткие электронные пучки? Тормозясь в металле второго электрода, электроны генерируют рентгеновское излучение. С помощью коротких и мощных рентгеновских импульсов можно фотографировать быстро движущиеся объекты. При этом достигается временное разрешение в единицы нс, а пространственное - в единицы мкм. Можно сфотографировать ударную волну в твердом теле - то есть соответствующую деформацию решетки. Если обрушить такой электронный импульс на мишень, покрытую люминофором, то можно получить очень короткую и яркую вспышку света.


С помощью коротких и мощных электронных импульсов можно генерировать мощные и такие же короткие импульсы сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. При использовании таких импульсов в радиолокации можно разглядеть объект в 1 м на расстоянии 100 км и даже - вращение винта вертолета (работы ИРЭ РАН и ГАИШ МГУ). Сами технологии, при которых используется взрывная эмиссия, не только используются в технике, но уже настолько вошли в в техническую культуру, что в одном из вузов Москвы (МГТУ "СТАНКИН") организован соответствующий учебный процесс.


Тиристоры (Ник Холоньяк)


Что мы делаем, войдя в темную комнату? Правильно, включаем свет (чтобы не наступить на кошку). В большой электроэнергетике есть, собственно говоря, три большие проблемы - как энергию вырабатывать, как ее передавать и как ее передачей управлять (то есть как включать и выключать не лампу, а города, предприятия и участки сетей). Правда, есть еще проблема потребления - человек не потребляет электроэнергию непосредственно, ему нужны свет и тепло, но это уже проблема потребителя. Так вот, для коммутации можно применить, прежде всего, обычный механический выключатель - только большой. Но во-первых, площадь контактов должна расти с током - что бывает при перегрузке, мы знаем все, искры и запах горелой изоляции запоминаются хорошо. Во-вторых, расстояние, на которое расходятся электроды, должно увеличиваться с ростом напряжения, чтобы зазор между ними не пробился, - молния красива, но после нее от выключателя ничего не останется, а темнота воцарится надолго. Электропрочность воздуха мала, поэтому одна линия развития высоковольтных выключателей - это выключатели, работающие в вакууме или заполненные маслом или самым тяжелым газом - SF6, "элегазом" (от "электрический"). Другая линия развития - это газоразрядные и электровакуумные приборы - тиратроны и электронные лампы. Наконец, третья и, видимо, самая перспективная - полупроводниковые коммутаторы, или тиристоры. Чтобы разобраться в механизме их работы, надо заново учить физику для 10 класса, причем по хорошему учебнику, поэтому механизм мы описывать не будем. Но дадим "конструктивное" определение и конкретно опишем прибор с точки зрения применения - то есть приведем его характеристики.


Тиристор - это полупроводниковый прибор, в отличие от транзистора, имеющий не три слоя с разными типами проводимости p-n-p или n-p-n, а четыре - p-n-p-n. От двух крайних слоев сделаны выводы, по которым проходит основной ток, а от одного из промежуточных слоев - вывод управления. Если пропустить по управляющему электроду какой-то фиксированный ток и начать увеличивать напряжение между основными электродами, измеряя через них ток, то получится зависимость, изображенная на рис.2 слева. Если потом начать его уменьшать, то получится зависимость, показанная в середине. В целом характеристику тиристора изображают так, как показано справа, при этом длина выступа (напряжение включения Uвкл) зависит от напряжения на управляющем электроде. То есть если подать на тиристор большое напряжение, но пропускать по управляющему электроду такое напряжение, что выступ будет торчать вправо достаточно далеко, то ток через основные электроды будет протекать маленький. Если потом изменить ток управляющего электрода так, что выступ укоротится, то рабочая точка перескочит на верхнюю ветвь кривой, ток возрастет, тиристор "откроется", то есть включится. К сожалению, если опять увеличить выступ, то тиристор не закроется - надо ждать уменьшения основного напряжения (в сети, как вы знаете, - переменное напряжение частотой 50 Гц, то есть напряжение обнуляется 100 раз в секунду), чтобы тиристор перешел в "закрытое" состояние. То есть мы создали "выключатель", который включить можно всегда, а выключить - только в момент прохода основного напряжения через ноль.


Другим недостатком тиристора было ограничение по максимальному напряжению и току - несколько кВ и несколько кА, при том, что мощные выключатели могли работать при сотнях кВ и сотнях кА. Но маленький приборчик, не требующий обслуживания и при правильной эксплуатации несравненно более надежный, нежели прочие, был столь привлекателен, что инженеры предпочитали создавать сложные схемы, включать сотни тиристоров последовательно и сотни таких сборок параллельно, чтобы увеличить рабочие напряжения и тока.


А прошло пять лет с момента изобретения, и в 1960 году были созданы тиристоры, которые можно было не только включать управляющим импульсом, но и выключать - то есть разрывать цепь. После этого тиристоры стали основным коммутационным элементом большой энергетики.


Высоковольтная техника (Я.Смит, Г.Месяц)


В 1920 году самая высоковольтная линия передач в СССР работала при напряжении 70 кВ. В 1930 - 110 Кв. Далее - 220 кВ, 400 кВ, 750 кВ. Почему? Человек живет и работает в основном в больших городах. А источники энергии - электростанции - находятся на главных месторождениях топлива и реках. И неспроста: экономически целесообразнее перемещать не уголь и нефть, предназначенные для сжигания, а электроэнергию. Человек хочет жить все лучше и лучше, то есть теплее, светлее и сытнее, хочет, чтобы громче играла и ярче сияла дискотека жизни. А это требует все больше энергии - особенно с учетом того, что в бедных скандинавских странах используют тройные стеклопакеты, а в богатой России по сей день дует из всех щелей. И особенно зимой...


Чтобы передать по линии электропередач большую мощность, есть два способа - увеличить напряжение и увеличить ток. Но для увеличения тока надо увеличивать сечение проводов (а медь стоит денег), иначе воронам будет жарко на них сидеть. Если кто использует учебник физики в качестве подпорки для тумбочки под телевизором, - напомним: тепловыделение пропорционально квадрату тока. Так что вся энергия может уйти на обогрев бескрайних просторов.


Итак, надо увеличивать напряжение. При этом тоже возникает проблема, к счастью, не упирающаяся в ограниченность запасов меди на Земле - проблема изоляции. Дело в том, что если между двумя металлическими электродами приложить напряжение, то сначала все будет тихо и хорошо, и мы в этом убеждаемся каждую секунду - две металлические жилы в проводе, два штыря в вилке, два гнезда в любой розетке - те самые электроды. Но при некотором напряжении произойдет "пробой" - по изоляции пойдет большой ток и она, как правило, необратимо, выйдет из строя. Выше мы рассказали о взрывной эмиссии - так вот, вакуум - это один из тех изоляторов, которые не выходят из строя при пробое. После разлета того самого облачка пара, в которое превратилось взорвавшееся острие, вакуум становится как новенький. Пробой в газе и жидкости тоже не разрушает их необратимо - потому что они перемешиваются (хотя в замкнутом объеме могут накапливаться продукты реакций, происходящих при пробое). В твердом теле ситуация иная: изоляция портится, и почти всегда - необратимо. В изоляторе остается оплавленный канал (фото 1), стенки которого проводят ток - изолятор перестает быть изолятором.


Почему происходит пробой? Механизмов много, назовем основные. В вакууме их два - об одном уже было рассказано, а второй устроен так. В электрическом поле на заряд действует кулоновская сила. Она отдирает частичку от электрода, которая перелетает через зазор, все время ускоряется (поле-то тянет) и, врезавшись в противоположный электрод, испаряется. Пары заполняют зазор и начинается пробой в парах.


Пробой в парах и газе устроен так. Электрическое поле выдирает электрон из атома, ускоряет его, он разбивает другой атом, два электрона разбивают два атома, ну и так далее. Электронная лавина достигает электрода - зазор замкнулся, пошел ток. Примерно так молния переносит заряд между облаком и землей. Только не подумайте, пожалуйста, что вы теперь знаете, как именно это происходит. О пробое в газе написаны книги, и до сих пор не все ясно.


Пробой в жидкости может, вообще говоря, происходить примерно так же: ионизация - разгон - ионизация и так далее. Но реально он начинается в пузырьках газа, которые обычно в жидкости есть. Но если вакуумный пробой пробоем в газе кончается, то пробой жидкости им начинается.


Видов пробоя твердого тела, прежде всего, два - по объему и по поверхности. Пробой по объему может начинаться в порах, как в пузырьках - в жидкости. Может он происходить и по ионизационному механизму, как описано выше. Третий вид пробоя по объему - электротепловая неустойчивость. Идеальных диэлектриков не бывает, и если приложить напряжение - ток пойдет. Этот ток разогревает изолятор, а при нагреве изолятора его сопротивление падает. При этом обычно растет ток. Растет ток - увеличивается нагрев. Еще более растет ток, и так далее (см. фото 1).


Пробой по поверхности, если говорить точно, не является пробоем по поверхности (так же, как вакуумный пробой, как вы видели, является пробоем по газу). Пусть у нас есть поверхность изолятора, зажатого между двумя электродами - рис.3. Если подать на электроды достаточно высокое напряжение, с электрода или из места контакта электрода с диэлектриком (там напряженность поля может быть выше) эмитируется электрон - посредством автоэлектронной эмиссии. Он попадает на изолятор, выбивает из него новые электроны (поскольку он летел в поле, то ускорился, приобрел энергию и смог это сделать), те выбивают еще и еще - начинается электронная лавина, но дело этим не кончается. На поверхности любого вещества есть сорбированные молекулы окружающей среды. Электронная лавина сбивает с поверхности сорбированные молекулы и в образовавшемся газовом облачке происходит уже пробой в газе. Опять все им кончилось...


Вот противодействие всем этим видам пробоя и составляет важную часть конструирования и изготовления всей высоковольтной аппаратуры. Выбор материалов изоляции, размеров аппаратуры, формы электродов - все подчиняется требованиям увеличения электропрочности. Например, электроды не должны иметь острых углов (на них больше поле).


Но создание высоковольтных систем передачи энергии - не единственное предназначение высоковольтной науки и техники. Высокие напряжения - неизменный спутник всех направлений деятельности человека, связанных с высокими энергиями: от электронных микроскопов до воздействия на вещество потоками энергии экстремальной плотности. Везде, где человек пытается расширить границы познанного, он встречает знакомый треугольный значок с молнией, предупреждающий о том, что надо действовать осторожно. Но, естественно, действовать.


Потому что проблемы энергетики глобальны. Отсюда, наверное, и название премии, которую дали за все, о чем рассказано выше.


И одно общее замечание в конце. Часто спрашивают, почему это и Нобелевская премия, и эта премия "Глобальная энергия" даются за довольно старые работы. Ответ прост - во-первых, потому, что только через какое-то время становится ясно, что было великим открытием или выдающимся изобретением, а что - нет. Во-вторых же, потому, что открытие становится великим, а результат - выдающимся не в момент рождения. То, что тот самый младенец был Моцартом, узнали позже.


Поэтому разговоры о том, что наука кончается, и нет великих результатов (и вообще вода нынче не такая мокрая), конечно, вести можно. Но время, потраченное на эти разговоры, лучше потратить на получение результатов. Которые могут оказаться и великими. Иногда это случается, и дело кончается Нобелевской премией или Глобальной энергией.