Техника - молодёжи 1980-11, страница 41

дов на половину периода, составляющую для частоты 150 кГц — 3,4 мкс, должна быть 1 км. Однако ее можно сильно уменьшить благодаря тому, что скорость распространения поля зависит от диэлектрической постоянной среды вокруг провода, которая, например, для метатитана бария (с добавками) в 9 тыс. раз больше, чем для воздуха. В проводе, окруженном таким диэлектриком, скорость распространения поля будет 3,2 тыс. км/с. Следовательно, длина провода, способного накапливать заряды в течение нужного времени для частоты 150 кГц, составит всего около 11 м. Легко показать, что, заземляя одну клемму источника непосредственно, а другую — через такую аккумулирующую линию, мы достигаем того, что в земной шар будут поступать заряды только одного знака (рис. 6).

По-видимому, возможны и другие принципы аккумулирования зарядов в однополюсном источнике, причем они могут оказаться даже более эффективными.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

БЕСПРОВОДНОЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Составим электросистему из двух однополюсных источников (работающих в противофазе) и потребителя, расположенных в пунктах А и В и соединенных через земной шар (рис. 7). Расчетная схема для нее показана на рисунке 8. Если активное сопротивление потребителя в пункте приема (R_B) значительно превышает все сопротивления источников и заземлений, то токи в системе определяются формулой

^еа ^еа + ^ев

^JA ™ н--р-- ^j0 + ^jb »

^Ао К_в

где Е_А и Ев— потенциалы ЭДС однополюсных источников, Х₀ — сопротивление земного шара.

По это^ формуле видно, что распределение тока при беспроводной передаче энергии через земной шар отличается от передачи энергии через землю с обратным проводом. Если в схеме (рис. 1) весь ток замыкается через потребитель, то при однополюсных источниках часть тока передатчика (J₀ ) расходится концентрическими кругами по всему земному шару, не проходя через потребитель.

Прежде чем рассмотреть этот ток, остановимся на вопросе: чему равна емкость земного шара?! На первый взгляд, вопрос этот кажется тривиальным. Ведь еще из школьной физики известно, что емкость проводящего шара радиусом 6370 км равна 708 мкФ. Да, но это

только для постоянного тока или переменного такой частоты, при которой весь шар находится под одним и тем же потенциалом. В рассматриваемой передаче длина волны намного меньше окружности земного шара, поэтому, расходясь по поверхности Земли, волны тока будут заряжать шар поясами чередующейся полярности (рис. 9). Если при одноименном заряде шара элементарный заряд (q₀ ) на его поверхности отталкивается остальной частью так, будто весь заряд сосредоточен в центре шара, то при разноименных зарядах отталкивающее действие одного пояса частично компенсируется притягивающим действием смежных. Кроме того, заряды эти не стационарны, а пульсируют по поверхности шара волнами тока. Поэтому классическое выражение для реактивного сопротивления земного шара, зависящее от его емкости, здесь неприемлемо, тем более, что оно не учитывает его индуктивность.

Ну а насколько велико будет активное сопротивление передачи? Потери в данном случае не зависят от ее расстояния. Земной шар, как известно, при однопроводной схеме не оказывает сопротивления постоянному току из-за большого сечения, по которому ток расходится в его теле. Падение напряжения в земле наблюдается только в радиусе порядка 20 м от заземлителя. При переменном токе потери обусловливаются лишь влиянием протянутого над поверхностью обратного провода. Он стягивает ток в теле планеты к проекции провода, ограничивая тем самым сечение, по которому идет ток. Поскольку в рассмотренной передаче такого провода нет, то она, без учета локальных потерь у заземлителей, будет сверхпроводящей.

Возвратимся теперь к току J_Q Падение напряжения в земле и в этом случае происходит с удалением от заземлителя настолько быстро, что делает его безопасным даже на небольших удалениях от передатчика. Однако в противоположной части Земли, где волны сходятся, будет высокое шаговое напряжение и настолько высокая плотность тока, что может возникнуть сильный разогрев этого участка. В целях безопасности и уменьшения потерь на антиподе необходимо провести определенные мероприятия. Например, положить заземленный металлический лист большого диаметра и добиться узла тока в антиподе. Кроме того, надо стремиться предельно уменьшить ток J₀ . Попробовать, например, перейти к симметричной схеме или максимально увеличить сопротивление земного шара путем подбора соответствующего резонансного режима.

Электросистема, передающая электроэнергию через земной шар из пункта А в В (7) и ее расчетная электросхема (8): 1₀ —- сила тока, идущего к антиподной точке; J^A+B — сила тока между точками А и В в местах заземления источников с соответствующими ЭДС Е_д и ;

сопротивление потребителя; X_Q — сопротивление земного шара.

Структура заряда земного шара от однополюсного источника А (схема волн тока, изображенная на полуокружности, дана не в масштабе): 4_Q — единичный заряд, Q — суммарные заряды поясов.

В заключение остается назвать хотя бы некоторые перспективы беспроводной передачи энергии через Землю. Среди них — устойчивая глобальная связь, повсеместное электроснабжение морского и сухопутного транспорта, появление значительных дополнительных энергоресурсов в результате подключения потребителей в часы «пик» к электропитанию от районов, где потребление энергии в это время понижено. И самое главное — отказ от трудоемкого строительства ЛЭП и резкое снижение энергопотерь.

39