Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для магистров, обучающихся по направлению «Техническая физика» в рамках магистерской программы «Высоковольтная электротехника в системах энергоснабжения». Пособие предназначено для изучения студентами дисциплины «Физические основы техники высоких напряжений, сильных магнитных полей и токов». По своему содержанию пособие представляет собой последовательно связанное изложение ряда разделов теоретической физики, являющихся необходимым теоретическим обоснованием расчетных методов оценки процессов и состояния высоковольтного электроэнергетического и электрофизического оборудования.

Рассмотрены особенности современных методов проектирования элементов высоковольтных установок, оборудования, предназначенного для получения сильных электромагнитных полей, больших токов и т. п. Особенностями работы таких узлов часто являются состояния, предельные не только по электрическим параметрам, но и по тепловым и механическим режимам. При этом расчетная оценка состояния и режимов оборудования обычно выходит за рамки стандартного курса физики и сопротивления материалов. Многие процессы носят выраженный импульсный характер, например ударно-волновые явления в проводниках и электрических разрядах при протекании больших импульсных токов. Они описываются в рамках специального раздела механики сплошной среды — теории ударных волн, и тесно связаны с термодинамикой и рядом разделов статистической физики.

В последние годы имеет место интенсивное развитие электрофизических технологий, основанных на импульсных электромагнитных воздействиях на материалы, применении электрических разрядов для возбуждения ударных волн в массивных объектах с целью разрушения. Это делает необходимым подробное изучение студентами таких разделов теоретической физики, как статистическая физика и термодинамика, механика сплошной среды в широком классе сред от идеального газа до деформируемого твердого тела.

Широкое развитие и распространение методов диагностики высоковольтного электрооборудования является выраженной тенденцией, как в отечественной, так и зарубежной практике. В особенности быстро развиваются дистанционные методы, которые опираются на ряд физических явлений. Среди диагностических технологий высоковольтного оборудования можно выделить ультразвуковые методы, методы импульсного зондирования объектов, тепловизионные технологии. Ясное понимание методов и результатов диагностирования требует знаний некоторых специальных разделов теоретической физики. Среди этих разделов вновь оказывается механика сплошной среды в части теории колебаний и волн в деформируемом твердом теле, теория теплопередачи, включая элементы конвективного и радиационного теплообмена.

Предлагаемое учебное пособие содержит материал, выходящий за рамки стандартной дисциплины «Физика», но необходимой для формирования компетенций в соответствии с вышеизложенными особенностями подготовки магистров.

Принцип организации материала в предлагаемом учебном пособии состоит в строгой логической связи разделов таким образом, чтобы базовые принципы построения физической теории, изложенные в начале дисциплины, находили свое отражение в прикладных вопросах. Поэтому первым разделом пособия является изложение основ квантовой механики, где рассмотрены относительно простые задачи. Однако результаты их решения дают необходимый материал для логичного введения в статистическую физику (второй раздел). В основу изложения статистической физики положена квантовая статистика равновесных состояний. Прикладные результаты изучения статистической физики являются средством описания специфических электрофизических явлений, например, термической ионизации. Вместе с тем компетенции в области статистической физики лежат в основе следующих разделов дисциплины — механики сплошной среды и теплопередачи. Наряду со статистической теорией равновесных состояний излагаются элементы теории столкновений, играющие основную роль в физических процессах, играющих ведущую роль в газовых разрядах (третий раздел). В четвертом разделе излагаются элементы механики сплошной среды, основные уравнения и соотношения, описывающие движения газов и жидкостей. Также этот раздел содержит введение в теорию деформируемого твердого тела, применительно к описанию процессов распространения упругих волн.

В пятом разделе излагаются элементы теории теплопередачи, которые доведены до постановки и простейших решений прикладных задач по оценке тепловых режимов токоведущих элементов электроэнергетического оборудования, моделей аварийных ситуаций в крупных обмотках магнитных систем.

Особенностью данного пособия является предельная компактность, позволяющая освоить описанные разделы в течение одного семестра. При этом пособие не претендует на полноту изложения рассмотренных в нем разделов теоретической физики. Главная задача книги скорейшим путем довести содержание этих разделов до прикладного инженерного результата. С этой целью в пособии имеется также раздел, содержащий более 60 задач по различным частям курса.