Elektrotechnologie

1. Wymienić metody analizy obwodów nieliniowych prądu stałego i omówić wybraną.

Dokładne – możliwe gdy ch-ki elementów dane są w postaci wzorów, a powstałe równanie nieliniowe daje się rozwiązać dokładnie.
Przybliżone:
– Numeryczne (np. metoda iteracji, metoda Newtona) – stosowane, gdy ch-ki elementów dane są w postaci wzorów, ale powstałe równanie nieliniowe nie daje się
rozwiązać dokładnie,
– Graficzne (np. metoda przecięcia charakterystyk) – stosowane, gdy ch-ki elementów dane są w postaci graficznej lub tabelarycznej,
– Analityczne (np. metoda linearyzacji) – stosowane, gdy prawdziwą ch-kę przybliża się pewnym wyrażeniem.
Metody graficzne analizy obwodów nieliniowych:
-metoda charakterystyki zastępczej(mająca zastosowanie w przypadku, gdy w obwodzie znajduje się tylko jedno źródło prądu lub napięcia; polega ona na wyznaczeniu charakterystyki zastępczej dwójnika widzianego z zacisków źródła,)
-metoda przecięcia charakterystyk(mająca zastosowanie w przypadku, gdy w obwodzie znajduje się jedno źródło prądu lub napięcia)
Metoda charakterystyki zastępczej polega na wykreśleniu charakterystyki prądowo-napięciowej elementów, a następnie sumujemy napięcia dla poszczególnych prądów, tworząc punkty charakterystyki wypadkowej.

1. Zdefiniować rezystancję statyczną i dynamiczną rezystora nieliniowego oraz wyznaczyć je i narysować w funkcji prądu I dla rezystora o charakterystyce aproksymowanej zależnością U(I)=4 I ³ .

Dla rezystora nieliniowego stosunek napięcia do prądu (dla danej wartości prądu) nazywany rezystancją statyczną. Rezystancja dynamiczna to pochodna napięcia względem prądu (dla danej wartości prądu).

Rezystancja dynamiczna jest proporcjonalna do tangensa kąta nachylenia stycznej do krzywej u (i) dla danej wartości prądu (na rysunku kąt beta).

=================================================================

I_A = 1 A → U_A = 4 * 1³ = 4 V

$R_{\text{stat}} = \frac{U_{A}}{I_{A}} = \frac{4}{1} = 4\ Ohm$ $R_{\text{dyn}} = \left. \ \frac{\text{du}}{\text{di}} \right|_{I = I_{A}} = 12*I^{3} = 12\ Ohm$

3. Podać typy charakterystyk elementów nieliniowych oraz krótko omówić metody ich aproksymacji.

Charakterystykę nieliniową aproksymuje się krzywą o znanym równaniu. Funkcja aproksymująca powinna być nieskomplikowana, aby ułatwić obliczenia. Linearyzacja polega na zastąpieniu charakterystyki elementu nieliniowego w otoczeniu punktu pracy linią prostą. W przypadkach bardziej ogólnych korzysta się z linearyzacji wieloodcinkowej. Brak jest ogólnych metod analizy nieliniowej i tylko w nielicznych przypadkach można znaleźć dokładne rozwiązanie. Zastosowanie znajdują metody przybliżone (iteracyjne, graficzne). Niekiedy nieliniowy element równania wiąże się z parametrem o małej wartości (metoda małego parametru). Większość metod rozwiązywania równań nieliniowych opiera się na podejściu iteracyjnym (np.: metoda Newtona, siecznych, relaksacji itp.).

Charakterystyka rezystora nieliniowego

$$R_{\text{dyn}} = \left. \ \frac{\text{du}}{\text{di}} \right|_{I = I_{A}} = ktg\beta$$

Charakterystyka cewki nieliniowej i kondensatora nieliniowego

$L_{\text{dyn}} = \left. \ \frac{\text{dψ}}{\text{di}} \right|_{I = I_{A}} = ktg\beta$ $C_{\text{dyn}} = \left. \ \frac{\text{dq}}{\text{du}} \right|_{I = I_{A}} = ktg\beta$

3. Jakie harmoniczne występują w napięciu między punktami neutralnymi sieci i trójfazowego symetrycznego odbiornika zasilanego z symetrycznego generatora o napięciu fazowym zwierającym 1, 3, 5, 7 i 9 harmoniczną.

Pomiędzy punktami neutralnymi źródła N i odbiornika N' wystąpi napięcie od harmonicznych rzędu k=3n wynoszące $U_{\text{NN}} = \sqrt{U_{3}^{2} + U_{9}^{2}}$

3. Nieliniowe obwody magnetyczne – analogie miedzy nieliniowym obwodem elektrycznym i magnetycznym- pojęcie reluktancji i napięcia magnetycznego (jednostki).

Reluktancja jest to opór magnetyczny dany wzorem: $R_{m} = \frac{1}{\text{μS}}\ \lbrack\frac{A}{\text{Wb}}\rbrack$

Gdzie R – reluktancja [1/H], mi - przenikalność magnetyczna materiału, l – długość krzywej zamkniętej [m], S –przekrój poprzecznego obwodu [m2].

Reluktancja ma charakter nieliniowy gdyż μ=f(H)

Odwrotnością reluktancji jest permeancja.

Napięcie magnetyczne - to różnica potencjałów magnetycznych skalarnych wyrażająca się całką liniową natężenia pola magnetycznego wzdłuż drogi między dwoma punktami w tym polu, jednostką jest Amper. ????

==========================================================================

Napięcie magnetyczne (skalar) to iloczyn natężenia pola magnetycznego H i długości krzywej zamkniętej l: U=H*l (za bolkowskim)

==========================================================================

3. Sposób obliczania obwodu z magnesem stałym

Magnes trwały (stały) - ciało wykonane z materiału ferromagnetycznego, które zachowuje własności magnetyczne mimo braku działania zewnętrznego pola magnetycznego. Ich magnesowanie i rozmagnesowanie następuje po pętli histerezy.

Obwód z magnesem stałym możemy liczyć, używając analogii do obwodu nieliniowego prądu stałego.

Algorytm liczenia zadań:

3. Omówić zjawisko ferrorezonansu napięć/ferrorezonansu prądów. Podać warunki, dla których zachodzi ferrorezonans. Czy różnią się zjawiska rezonansu i ferro rezonansu?

Zjawisko ferrorezonansu powstaje w obwodzie, w którym cewka z rdzeniem ferromagnetycznym jest połączona bądź szeregowo, bądź równolegle z kondensatorem o charakterystyce liniowej. Przy połączeniu szeregowym tych elementów powstaje zjawisko
ferrorezonansu napięć, przy równoległym – ferrorezonans prądów. Przy badaniu zjawiska ferrorezonansu są przyjmowane następujące założenia upraszczające: jako charakterystykę cewki przyjmujemy charakterystykę pierwszego magnesowania, a więc pomijamy pętle
histerezy; przyjmujemy, że odpowiedź na wymuszenie sinusoidalne doprowadzone do zacisków obwodu ferrorezonansowego ma charakter okresowy, odkształcony.
Ferrorezonans napięć warunek $\left( \frac{1}{\text{ωC}} \right)I_{m} = a_{1}\omega I_{m} - \frac{3}{4}a_{3}\omega({I_{m})}^{3}$

Pierwsze harmoniczne napięć na cewce i kondensatorze skompensują się, gdy amplitudy tych napięć będą sobie równe (napięcia te są w przeciwfazie).

Charakterystyka połączenia uwzględniająca rezystancję uzwojenia cewki i straty w rdzeniu
Ferrorezonans prądów – powstaje w obwodzie, w którym cewka z rdzeniem ferromagnetycznym jest połączona równolegle z kondensatorem liniowym. Ferrorezonans występuje w punkcie, w którym prąd wypadkowy jest równy zeru, tzn. prąd w gałęzi
kondensatora jest co do modułu równy prądowi w gałęzi cewki.

3. Co to są drgania relaksacyjne i w jakich układach może je uzyskać?

Drgania relaksacyjne (inaczej samowzbudne lub swobodne) zachodzą w obwodach nieliniowych. Nie są one wymuszone źródłem harmonicznym, lecz powstawanie drgań relaksacyjnych obserwować będziemy w obwodach elektrycznych RC, tzn. zestawionych z rezystorów i kondensatorów oraz dodatkowo, do obserwacji drgań, uzupełnionych lampą neonową charakteryzującą się właściwością kluczowania, tzn. zwierania lub rozwierania gałęzi obwodu w zależności od napięcia na swoich zaciskach. Drgania te ustają po zaniku ich źródła.

W takim układzie prąd stały nie może płynąć, możemy jednak zaobserwować krótkotrwały prąd ładowania lub rozładowania kondensatora.

T – okres drgań relaksacyjnych (suma czasu ładowania t1 i rozładowywania t2)

U1 – napięcie zapłonu lampy neonowej

U2 – napięcie gaśnięcia neonówki

Drgania relaksacyjne:

- rodzaj drgań samowzbudnych

- ani źródła energii, ani układ drgający nie mają charakteru oscylacyjnego.

- opóźnienie pomiędzy gromadzeniem energii potencjalnej i jej przekształceniem w kinetyczną (czas relaksacji).

- po czasie relaksacji nagromadzona energia całkowicie się rozprasza i następuje nowy proces napełniania od stale działającego źródła.

- bez zmian konstrukcyjnych można zmienić częstość, nie amplitudę.

- można synchronizować drgania przy pomocy drgań pomocniczych o małej amplitudzie.

Link: http://www.if.pw.edu.pl/~labfiz1p/cmsimple2_4/1instrukcje_pdf/12.pdf

3. W symetrycznym nieliniowym obwodzie trójfazowym jak na rysunku, wartość chwilowa napięcia na nieliniowym dławiku w fazie A wynosi uA(t)= 141,4 sinωt+100 sin3ω+20sin9ωt, V. Wyznaczyć wartość skuteczną napięcia U0 .

$$U_{0} = \sqrt{({\frac{U_{3m}}{\sqrt{2}})}^{2} + ({\frac{U_{9m}}{\sqrt{2}})}^{2}} = \sqrt{({\frac{100}{\sqrt{2}})}^{2} + ({\frac{20}{\sqrt{2}})}^{2}} = 72,11V$$

3. Podać definicję współczynnika kształtu odkształconego napięcia okresowego. Wyznaczyć współczynnik kształtu następującego sygnału napięciowego:
   

Współczynnik kształtu jest to stosunek wartości skutecznej sygnału do wartości średniej wyprostowanej.

3. Jak wpływają indukcyjność i pojemność obwodu elektrycznego na wyższe harmoniczne prądu i napięcia. Przeanalizować ten wpływ dla rzeczywistej cewki (szeregowe połączenie RL) i rzeczywistego kondensatora (szeregowe połączenie RC).

Rzeczywista cewka:

Rzeczywisty kondensator:

Indukcyjność działa tłumiąco na wyższe harmoniczne prądu i pobudzająco na wyższe harmoniczne napięcia.

Pojemność działa tłumiąco na wyższe harmoniczne napięcia i pobudzająco na wyższe harmoniczne prądu.

3. Odkształcony prąd fazy A symetrycznego odbiornika trójfazowego połączonego w gwiazdę i zasilanego z sieci czteroprzewodowej wynosi iA(t) = 10sint + 3sin3t + 5sin5t + 1sin9t, A. Wyznaczyć wartość chwilową i skuteczną prądu w przewodzie neutralnym tego odbiornika.

3. Podać definicję wartości skutecznej i średniej odkształconego prądu okresowego. Wyznaczyć obie wartości dla następującego sygnału: i(t)=( 15 + 28,2 sin100πt+14,1 sin300πt), A.

Wartość średnia półokresowa przedstawia pole powierzchni ograniczonej przebiegiem prądu w czasie połowy okresu.
Wartością skuteczną prądu okresowego nazywamy taką wartość prądu stałego, który przepływając przez niezmienną rezystancję R w czasie okresu T, spowoduje wydzielenie na tej rezystancji takiej samej ilości ciepła, co prąd okresowo zmienny w tym samym czasie.

3. Metody graficzne obliczania obwodów nieliniowych prądu stałego- wymienić i omówić

3. Obwody nieliniowe przy wymuszeniu sinusoidalnym – elementy warunkowo nieliniowe

Elementami warunkowo nieliniowymi nazywamy elementy, których charakterystyka dla wartości skutecznych jest nieliniowa, jednak dla wartości chwilowych jest liniowa.

Typowym przykładem takiego elementu jest termistor.

3. Jakie funkcje powinien zapewnić układ zasilania reaktora plazmowego ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym?

Podstawowym elementem wszystkich układów zasilania reaktorów plazmowych jest transformator, który w odpowiednim wykonaniu może stanowić dobre źródło zasilania. Wykorzystując właściwości obwodów elektromagnetycznych można, uzyskać w jednym urządzeniu integrację podstawowych funkcji układu zasilania, tj. wstępną jonizację i zapłon wyładowania oraz podtrzymywanie wyładowania głównego między elektrodami roboczymi podczas cyklu pracy reaktora plazmowego, przy równoczesnym ograniczeniu prądu zwarcia i zapewnieniu właściwych parametrów plazmy dla prowadzonych z jej udziałem procesów plazmo-chemicznych.

Link: http://bc.pollub.pl/Content/453/D212.pdf

3. Przedstawić 3-fazowy układ zasilania ze zintegrowaną funkcją zapłonu wyładowania (schemat, zasada działania)

Jest to układ czterech transformatorów jednofazowych Tr1, Tr2, Tr3 i Tr4. Trzy z nich: Tr1, Tr2 i Tr3 dostarczają energię do elektrod roboczych reaktora plazmowego a ich uzwojenia są połączone w gwiazdę po stronie pierwotnej i wtórnej.

Między punkty gwiazdowe i punkt neutralny sieci zasilającej włączony jest czwarty transformator Tr4, który zasila elektrodę zapłonową reaktora plazmowego. W układzie, między punktem neutralnym sieci i punktem gwiazdowym uzwojeń pierwotnych, czyli na zaciskach uzwojenia pierwotnego transformatora Tr4, występuje różnica potencjałów o dominującej potrojonej częstotliwości, którą wyrazić można równaniem: 3 3 U = 4kfzAB , (4.1) gdzie: k – współczynniki kształtu strumienia magnetycznego, f – częstotliwość sieci zasilającej, z – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego transformatora roboczego, A – pole przekroju poprzecznego magnetowodu, B3 – trzecia harmoniczna indukcji w rdzeniu transformatora jednofazowego. Transformator Tr4 zasila więc układ zapłonowy reaktora plazmowego napięciem o częstotliwości potrojonej, a charakterystyka zewnętrzna tego transformatora jest tak samo podatna (miękka) jak magnetycznego potrajacza częstotliwości [76], wobec czego napięcie po zapłonie wyładowania maleje do wartości napięcia elektrod roboczych.

Zaletą zintegrowanych układów zasilania jest przede wszystkim naturalna współpraca układu zapłonowego i roboczego oraz charakterystyka zewnętrzna zbliżona do charakterystyki łuku elektrycznego, którą można kształtować na etapie projektowania układu. Pewną wadą takiego układu jest konieczność pracy przy zwiększonej wartości 1. harmonicznej indukcji magnetycznej w rdzeniu transformatora (B1=1,8–2 T), tak aby 3. harmoniczna indukcji B3 osiągnęła wartość bliską 20 % pierwszej, co zapewnia odpowiednią wartość napięcia zaindukowanego w uzwojeniu zapłonowym. W celu zwiększenia możliwości regulacyjnych układu zasilania (zwykle realizowanych poprzez zmiany napięcia zasilającego, a więc także 1. harmonicznej indukcji magnetycznej), czasem zachodzi konieczność całkowitego oddzielenia zapłonu od funkcji związanej z potrzymaniem wyładowania między elektrodami roboczymi. Takie podejście pozwala na większą elastyczność w doborze parametrów zasilania elektrod roboczych reaktora plazmowego i skuteczne działanie, niezależnego układu zapłonowego, często o wysokiej częstotliwości.

3. Omówić sposoby obniżania napięcia wymaganego do zapłonu wyładowania

Zapłon wyładowania występuje przy wielkościach kilkunastu kilowoltów, natomiast napięcie płonącego wyładowania ma wartość kilkukrotnie mniejszą. Jednym ze sposobów obniżania napięcia jest stosowanie zintegrowanych układów zasilania, które umożliwiają pracę jako wysokonapięciowy układ zasilania, oraz nadążają za zmianami charakterystyki napięciowo – prądowej wyładowania

3. Plazma termiczna i nietermiczna. Porównanie typowych parametrów: wartość prądu, gęstość elektronów, temperatura elektronów, temperatura gazu procesowego, promieniowanie, stopień jonizacji

Plazma występuje w szerokim zakresie energii cząstek wynoszącym od 0,2 eV do 2 MeV. Podstawową klasyfikacją plazmy jest podział na:

• Plazma nietermiczna (niskotemperaturowa,zimna) – plazma wyładowań elektrycznych

• Plazma wysokotepmeraturowa (gorąca) – plazma wytwarzana podczas syntezy termojądrowej.

Plazma gorąca występuje w zakresie energii powyżej kilkunastu eV, jest zwykle prawie całkowicie zjonizowana, a jej źródłem w warunkach ziemskich są reakcje termojądrowe.

Plazma nietermiczna jest najczęściej wykorzystywana w technice. Parametry:

• Zakres energii 0,2 eV do 3 eV

• Zakres temperatur 2000K do 30 000K.

• Jest gazem zjonizowanym w niewielkim stopniu

Inny podział plazmy:

• Niskociśnieniowa

• Wysokociśnieniowa (termiczna)

Plazma termiczna występuje w ciśnieniach powyżej 100kPa. Występuje w niej równa energia elektronów, jonów i cząstek. Podczas wyładowań charakteryzuje się dużymi temperaturami.

Ostatecznym kryterium przesądzającym o klasyfikacji plazmy na termiczną i nietermiczną jest iloczyn ciśnienia p i odstępu między elektrodami d.

3. Przedstawić i omówić reaktor z wyładowaniem barierowym (schemat, rodzaj dielektryka)

Reaktor z wyładowaniami barierowymi to ozonator. Składa się z kilku elementów:

• Zasilacz

• Elementy wyładowcze

• Układy przygotowania i dostarczenia tlenu

• Układy zabezpieczeń

Rodzaj dielektryka (dielektryk stały):

Przy wzroście wartości chwilowej napięcia rośnie także napięcie w szczelinie wyładowczej. Gdy osiągnie wartość napięcia zapłonu Uz to powstanie pewna liczba mikrowyładowań w przestrzeni gazowej.

3. Wymienić zastosowanie plazmy nietermicznej

Głównym zastosowaniem plazmy nietermicznej są przede wszystkim technologie ochrony środowiska:

• Oczyszczanie powietrza, wód, i mediów stałych z zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych.

• Sterylizacja

• Dezynfekcja

Obróbka gleby, pasteryzacja

3. Omówić podstawowe zjawiska fizyczne zachodzące w nadprzewodnikach

• Powstanie par nośników ładunków (Pary Coopera). Pary te powstają w wyniku łączenia się dwóch elektronów posiadających energię na poziomie zbliżonym do energii Femiego.

• Efekt Meissnera – zjawisko zaniku pola magnetycznego w nadprzewodniku, podczas przechodzenia w stan nadprzewodnictwa. Gdy wartość zewnętrznego pola magnetycznego osiągnie natężenie graniczne, to zjawisko nadprzewodnictwa zanika i pole zaczyna wnikać do wnętrza materiału. Jeśli pole się zmniejszy – może być znowu stan nadprzewodnictwa.

3. Wymienić i scharakteryzować materiały nadprzewodnikowe do zastosowań silnoprądowych

Tylko niektóre z nadprzewodników wykazują się właściwościami pozwalającymi na ich zastosowania w urządzeniach silnoprądowych, w których nadprzewodnik pracuje w znacznym polu magnetycznym o indukcji dochodzącej do kilkunastu tesli. W silnych polach magnetycznych na uzwojenia nadprzewodnikowe wiodące prądy rzędu 10-106 A działają znaczne siły elektrodynamiczne, które powodują naprężenia i odkształcenia znacznie przewyższające wartości występujące w konwencjonalnych uzwojeniach. Tylko niektóre materiały nadprzewodnikowe nadają się do wytwarzania przewodów nawojowych, które charakteryzują się niezbędną wytrzymałością na naprężenia mechaniczne.

Podstawowe właściwości nadprzewodników mających zastosowanie w urządzeniach silnoprądowych zestawiono w tab. 2.1. Na rys. 2.1 przedstawiono charakterystyki krytycznej indukcji magnetycznej w zależności od temperatury dla dwóch nadprzewodników niskotemperaturowych (Nb47wt%-Ti i Nb3Sn) oraz trzech nadprzewodników wysokotemperaturowych (Bi2223, YBCO i MgB2). Cienkie linie dotyczą górnej indukcji krytycznej Bc2, przy której nadprzewodzenie ulega zanikowi, natomiast pogrubione 2. Nadprzewodniki i urządzenia nadprzewodnikowe linie opisują wartości indukcji nieodwracalno krytycznego zanika do zera. Dla nadprzewodników wyso zakresie zastosowań decyduje wartość indukcji dla materiału YBCO wynosi ok. 7 T, zaś dla Bi zestawiono parametry wymienionych pięciu materia które są podstawowymi składnikami istnieją dowych urządzeń nadprzewodnikowych.

3. Omówić typy konstrukcji przewodów nadprzewodnikowych

LTS - Nb-Ti, Nb₃Sn Przewody Nb-Ti stosowane są w elektromagnesach wytwarzających pole magnetyczne o indukcji do 8 T. Dla większych indukcji od 13 do 18 T stosuje sie przewody Nb₃Sn.

Najczęściej stosowane to stop Nb-Ti oraz związek między metaliczny grupy A15- Nb₃Sn. Najwyższe wartości parametrów krytycznych osiągane są w związkach międzymetalicznych. Ze względu na konieczność minimalizacji strat cieplnych oraz stabilną pracę przewody mają złożoną budowę. Składa się ona z wiązek włókien nadprzewodnikowych o średnicy do kilku mikrometrów. Włókna znajdują sie stabilizatorze zwanym matrycą. Materiały stosowane na matryce to Cu, CuNi, CuSn lub Al. Matryca ma za zadanie poprawę właściwości mechanicznych i elektrycznych oraz zwiększyć pojemność cieplną całego przewodu. Włókna są skręcane i transponowane w celu zmniejszenia strat od pola zewnętrznego i własnego.

HTS: Bi-2212, Bi-2223, Y-123 Przewody nawojowe wysokotemperaturowe, są to taśmy I i II generacji. Taśma pierwszej generacji ma budowę kompozytową, składa się z wielu włókien nadprzewodnika HTS w matrycy srebrnej. Taśma o podwyższonej wytrzymałości jest dodatkowo laminowało stalą. Wytwarzana w technice rurowo-proszkowej PIT. Najkorzystniejsze parametry mają nadprzewodniki Bi-2223 i Bi2212.

Taśmy II generacji składają sie z wielu warstw podłoża- zapewniającego dobre parametry elektryczne, stabilizatora- poprawiającego właściwości mechaniczne i termiczne oraz warstwy nadprzewodnika. Warstwy nanoszone są techniką fizyczną PVD lub chemiczną CVD, osadzania metaloorganicznego MOD. Wytwarzane na Bazie nadprzewodnika YBCO.

3. Omówić przykłady zastosowań urządzeń nadprzewodnikowych

- Konstruowanie wydajnych systemów analitycznych, znajdujących zastosowanie m.in. w chemii, biologii i medycynie (np. mechanizm rezonansu jądrowego),

- Możliwość produkcji bardzo pojemnych pamięci komputerowych i elektronicznych

- produkcjaelektromagnesów. Nadprzewodnikowe uzwojenia elektromagnesów stosowane są m.in. w charakterze substancji praktycznie nie powodującej strat energii na rozpraszanie,

- Wytwarzanie aparatury przydatnej w przeprowadzaniu procesu elektrolizy

- Konstruowanie silnych elektromagnesów - pozwalają one na swobodne unoszenie się nawet ciężkich obiektów na skutek własności pół elektromagnetycznych (tzw., "lewitacja", Trakcja na poduszce magnetycznej). Zjawisko lewitacji magnesu nad nadprzewodnikiem zostało zastosowane w konstrukcji łożysk.

- Budowa przewodów oraz kabli służących do wydajnego, bezstratnego transportu prądu.

- zastosowanie w akceleratorach kołowych (cyklotron, betatron.) Użycie nadprzewodnika zapewnia tu uzyskanie silniejszych pól magnetycznych służących do rozpędzania wiązek cząstek w akceleratorze, a zatem pomaga nadać im wielkie energie i prędkości.

- Systemy przeciwzwarciowe, układy ograniczające prądy zwarcia w sieciach. Potrzeba zastosowania ograniczników, które obniżą konieczną wytrzymałość elementów elektrycznych, nie działając przy tym na normalne przewodzenie prądu w sieci. Składa się głównie z elementu nadprzewodzącego połączonego szeregowo z obwodem chronionym przed zwarciem. Musi on być oczywiście przez cały czas odpowiednio schładzany, zwykle ciekła substancja chłodzącą. Przekrój poprzeczny elementu powinien być na tyle duży, aby zapewniać odpowiednia gęstość prądu. Oporność jest wówczas zerowa. W momencie wystąpienia sygnału zwarcia gęstość przepływającego prądu szybko wzrasta, rośnie także wartość pola magnetycznego. Następujący wtedy gwałtowny wzrostoporności ogranicza przepływ prądu zwarcia

- Nadprzewodzącetranzystory, który wielkość tranzystora nie przekracza 3 μm.

- w elektronice bardzo słabych sygnałów nadprzewodzący interferometr – przyrząd pomiarowy, którego zasada działania opiera się na zasadzie nakładania się fal oraz ich obserwacji, dzięki którym można uzyskać bardzo dokładne pomiary.

3. Metody chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych

w kąpieli :uzwojenia nadprzewodnikowe do chłodzenia w kąpieli mogą być wykonane z kanałami chłodzącymi lub bez. Jeżeli uzwojenie wykonane jest bez kanałów chłodzących to transport ciepła z wnętrza uzwojenia do brzegu chłodzonego cieczą kriogeniczną odbywa się na drodze przewodnictwa cieplnego

wymuszone: chłodzenie wymuszone można realizować poprzez przepływ ciekłego czy gazowego helu lub azotu w kanałach chłodzących wewnątrz uzwojenia i po j ego powierzchni, w rurkach umieszczonych wewnątrz przewodu nadprzewodnikowego bądź w rurkach nawiniętych na chłodzone uzwojenie.

Kontaktowe:kriochłodziarki pozwalają na całkowite wyeliminowanie cieczy kriogenicznych z układu chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych. Ciepło odbierane jest z uzwojenia nadprzewodnikowego głównie na drodze przewodnictwa cieplnego i poprzez karkas o odpowiednio dużej przewodności cieplnej dopływa do głowicy kriochłodziarki. Wpływ tej techniki chłodzenia na wartość współczynnika zapełnienia uzwojenia λsc jest więc minimalny.

Hybrydowe: chłodzenie w kąpieli ze wspomaganiem zastosowanie techniki kąpieli ze wspomaganiem, gdzie uzwojenie zanurzone jest w cieczy kriogenicznej a kriochłodziarka odbiera ciepło od tej cieczy łączy podstawowe zalety techniki chłodzenia w kąpieli zwielokrotniając czas pomiędzy kolejnymi uzupełnieniami cieczy kriogenicznych, co pozwala na budowanie układów prawie bezobsługowych.

3. Zalety i wady nadprzewodnikowych urządzeń energetycznych w stosunku do konwencjonalnych

ZALETY ZASOBNIKÓW NADPRZEWODNIKOWYCH

1) Dostarcza mocy o wymaganych wartościach praktycznie natychmiastowo.

2) Długi (do 30 lat) czas przechowywania energii.

3) Duża sprawność – bezpośrednia przemiana energii pola magnetycznego na energię elektryczną, niewielkie straty tylko w układzie chłodzenia, przepustach prądowych i układzie przekształtnikowym.

4) Duża głębokość rozładowania.

5) Brak przestojów na konserwację– układ chłodzenia może być konserwowany podczas pracy całego układu zasobnika.

6) Technologia przyjazna środowisku - brak substancji szkodliwych.

7) Łatwy do określenia stan naładowania zasobnika energią – pomiar prądu lub pola magnetycznego.

WADY ZASOBNIKÓW NADPRZEWODNIKOWYCH

1) Droga technologia - znaczny koszt drutu SC, wykonania i materiałów konstrukcyjnych kriomagnesu, naczynia helowego, kriostatu i układu chłodzenia.

2) Technologia nadprzewodnikowa - mało znana i trudna, uważana za ryzykowną.

3) Znaczne wartości magnetycznego pola rozproszenia (dla solenoidu).

4) Konserwacja układu chłodzenia może by ć kosztowna.

5) Straty cieplne w układach: chłodzenia i przekształtnikowym.

6) Zasobniki konkurencyjne wobec akumulatorów jedynie przy zastosowaniach wymagających wielu powtarzalnych cykli wyładowań o mocy powyżej 1 MW, trwających poniżej 2 – 3 s.

3. Scharakteryzować istotę działania złącza Josephsona i jego model zastępczy oraz typy złącz

Josephsona złącze, warstwowy kriotron nadprzewodzący, czynny element elektroniczny zbudowany z dwóch różnych nadprzewodzących metali rozdzielonych izolatorem.

Przy pewnej wartości natężenia prądu w jednym z nadprzewodników pole magnetyczne wywołane tym prądem niszczy stan nadprzewodzący w drugim metalu (Meissnera-Ochsenfelda efekt). Element taki charakteryzuje się bardzo krótkim czasem przełączenia i małym poborem mocy. Logicznie równoważny jest tranzystorowi.

Stosowane w dużych, złożonych układach scalonych do przyspieszania przekazywania sygnałów poprzez efekt tunelowania elektronów. Pomimo dużego wzrostu szybkości działania w porównaniu do tradycyjnych elementów półprzewodnikowych nie są zbyt rozpowszechnione z powodu wymogów temperaturowych (wymagane temperatury bliskie zeru bezwzględnemu). Pomimo tego, złącza Josephsona uważane są za przyszłościowy materiał dla elektroniki.

3. Omówić zasadę działania nadprzewodnikowego interferometru kwantowego i jego typy,

interferometr kwantowy nadprzewodnikowy, ang. Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), przyrząd nadprzewodnikowy, którego podstawową częścią jest pierścień nadprzewodzący z 1 lub 2 złączami Josephsona (nadprzewodnictwo);

wykorzystuje zjawisko interferencji fal opisujących ruch nośników prądu; w stanie nadprzewodzącym są nimi pary Coopera (BCS teoria); tunelowanie nośników (tunelowe zjawisko) przez nienadprzewodzącą warstwę w złączu Josephsona wprowadza różnicę faz tych fal, zależną od natężenia prądu tunelowego płynącego przez złącze; zewn. pole magnet. zmienia warunki interferencji fal nośników prądu, indukując w pierścieniu nadprzewodzącym prąd tunelujący przez złącza; w SQUID złącza Josephsona odgrywają podwójną rolę: z jednej strony umożliwiają wnikanie strumienia magnet. do wnętrza pierścienia nadprzewodzącego, z drugiej zaś pozwalają obserwować periodyczną zależność prądu indukowanego w pierścieniu nadprzewodzącym od indukcji przyłożonego pola magnet.; najczęściej SQUID-y są stosowane w magnetometrach, gdzie wykorzystuje się ich ogromną czułość, pozwalającą rejestrować pola magnet. 100 mld razy słabsze od pola magnet. Ziemi (10^–15 T). Produkowane magnetometry SQUID-owe, oprócz zastosowań w laboratoriach badawczych, są wykorzystywane w diagnostyce med. (do otrzymania map pola magnet. serca lub mózgu), w badaniach geofiz. czy nieniszczących badaniach materiałów; są już produkowane proste magnetometry wykorzystujące nadprzewodniki wysokotemperaturowe, pracujące w temp. 77 K.

3. Wymienić obszary zastosowań nadprzewodnikowych interferometrów kwantowych

oprócz zastosowań w laboratoriach badawczych, są wykorzystywane w diagnostyce med. (do otrzymania map pola magnet. serca lub mózgu), w badaniach geofizycznych czy nieniszczących badaniach materiałów

3. Podział elektrofiltrów

W zależności od przeznaczenia elektrofiltru, a także od zastosowania rozwiązań całości urządzenia oraz jego elementów można pod względem konstrukcyjnym elektrofiltry podzielić na sześć grup:

Grupa I

Ze względu na układ stref ładowania i zbierania:

• z rozdzielonymi strefami ładowania i zbierania,

• ze strefami ładowania i zbierania we wspólnym polu elektrycznym,

• z dodatkowymi strefami zbierania i ładowania,

• z poprzecznym lub labiryntowym układem elektrod.

Grupa II

Ze względu na kierunek przepływu gazu względem powierzchni ziemi:

• o poziomym przepływie gazu, tzw. elektrofiltry poziome,

• o pionowym przepływie gazu, tzw. elektrofiltry pionowe.

Grupa III

Ze względu na geometryczny układ pola elektrycznego:

• z współśrodkowym układem elektrod (elektrofiltry rurowe, plastrowe),

• z płaskim układem elektrod,

• z mieszanym układem elektrod.

Grupa IV

Ze względu na ilość niezależnych pół elektrycznych w kierunku przepływu gazu przez komorę:

• jednopolowe,

• dwu, trzy lub wielopolowe.

Grupa V

Ze względu na ilość niezależnych równoległych do kierunku przepływu gazu pól elektrycznych:

• jednosekcyjne,

• dwu-, trzy- lub wielosekcyjne.

Grupa VI

Ze względu na stan strącanych zanieczyszczeń gazu:

• na suchy pył, tzw. „suche” elektrofiltry,

• na mgłę cieczy lub pył w gazach nasycanych (zwilżanych), tzw. „mokre” elektrofiltry.

3. Omówić zasadę działania elektrofiltru

Ponieważ cząstki pyłu niesione przez gaz są z natury elektrycznie obojętne, muszą zostać naelektryzowane, tak aby proces oczyszczania mógł zachodzić.

Ładunek elektryczny jest nadawany ziarnom pyłu poprzez wykorzystanie ulotu, tj. opuszczania elektrody przez ładunki elektryczne wskutek wyładowania koronowego – rodzaju wyładowania elektrycznego w niejednorodnym silnym polu elektrycznym, z zastosowaniem napięć rzędu 40-80 kV. Zwykle stosuje się ujemne ładowanie elektrody ulotowej. Ziarna pyłu uzyskują ładunek elektryczny od zjonizowanych przez ulot cząsteczek gazu. Obdarzone ładunkiem elektrycznym wędrują (migrują) doelektrody o ładunku przeciwnym (zjawisko elektroforezy), na której się osadzają (jest to elektroda osadcza bądź zbiorcza). Na elektrodzie cząstki rozładowują się elektrycznie. Następnie są cyklicznie z niej usuwane (strącone lub spłukane). Siła elektrostatyczna zależy od ładunku ziarna pyłu, zaś ładunek możliwy do zgromadzenia na ziarnie zależy m.in. od rozmiaru tegoż ziarna. Dlatego elektrofiltry bardzo skutecznie (zwykle w ponad 99% dla cząsteczek 1 µm) wychwytują ziarna pyłu.

3. Wpływ wielkości elektrycznych na skuteczność odpylania elektrofiltru

Wpływ na skuteczność odpylania mają takie czynniki jak:

• natężenie pola elektromagnetycznego,Naładowane cząsteczki gazu pod wpływem pola elektrycznego wędrują do elektrod przeciwnej biegunowości.

• wielkość napięcia,Wysokie napięcie przyłożone do elektrod emisyjnych powoduje wyładowanie koronowe.

3. Znaczenie oporu właściwego (rezystywności) pyłu w elektrostatycznym procesie odpylania

Skuteczność odpylania elektrofiltru zależy także, w sposób istotny, od rezystywności właściwej pyłu wytrącanego w odpylaczu. Wpływ rezystywności właściwej pyłu na skuteczność odpylania elektrofiltru przy stałej jednostkowej powierzchni osadczej SCA przedstawiono na rysunku.
Z przebiegu przedstawionych zależności wynika, że np. zmniejszenie rezystywności wytrącanego pyłu z 10¹²Wcm do wartości 10¹¹Wcm w elektrofiltrze o jednostkowej powierzchni osadczej 60 s/m i skuteczności 90% spowoduje podwyższenie jego skuteczności do ok. 99%. Ten wzrost skuteczności odpylania powoduje ok. 90% (tj. dziesięciokrotne) zmniejszenie emisji pyłu w stosunku do stanu pierwotnego.

3. Wpływ oczyszczania elektrod na pracę elektrofiltrów

Dla poznania wpływu systemu strzepywania na skuteczność elektrofiltru A. Little przeprowadził odpowiednie badania na instalacji doświadczalnej. Elektrofiltr doświadczalny posiadający cztery stopnie odpylania pracował na spalinach kotłowych pochodzących z dużego kotła pyłowego o temperaturze 140 stopni C, po wstępnym oczyszczeniu w cyklonach, wynoszącej 1,42gm^-3. Prędkość gazu w elektrofiltrze wynosiła 1,32ms^-1, obciążenie prądowe 0,181mAm^-2. Pomierzono zmianę w czasie skuteczności odpylania:

-bez strzepywania elektrod zbiorczych,

-przy ciągłym strzepywaniu

-przy czyszczeniu programowym z cyklem 5-minutowym

Wpływ systemu strzepywania elektrod zbiorczych elektrofiltru na jego skuteczność odpylania:

1 — bez strzepywania;

2 — strzepywanie ciągłe;

3 — strzepywanie okresowe.

3. Podać cechy dobrej elektrody zbiorczej

• duża powierzchnia zbiorcza,

• gładka, mało przyczepna powierzchnia zewnętrzna (niedopuszczalne są ostre krawędzie skierowane w stronę pola elektrycznego),

• osłonięcie powierzchni zbiorczej od głównego strumienia przepływających gazów,

• zdolność odprowadzania pyłu do zbiorników bez przeszkód konstrukcyjnych na czynnych powierzchniach,

• zdolność do oczyszczania z pomocą udarów lub drgań mechanicznych,

• odpowiednia sprężystość i sztywność w kierunku prostopadłym i równoległym do powierzchni zbiorczej,

• prosta budowa,

• mały ciężar.

3. Dla obwodu przedstawionego na rysunku należy:

3. Dla obwodu przedstawionego na rysunku należy:

3. Wymienić metody wytwarzania ultradźwięków i omówić jedną z nich.

Do wytworzenia ultradźwięków stosuje się urządzenia, które mimo różnorodnej bu­dowy składają się z dwóch części: układu wzbudzającego i układu drgającego.

Układ wzbudzający dostarcza właściwemu źródłu drgań energii niezbędnej do działania. W zależności od rodzaju energii pobudzającej mówimy o pobudzeniu mechanicznym, elektrycznym lub cieplnym.

Metody mechaniczne

Tradycyjne mechaniczne układy przepływowe do wytwarzania ultradźwięków stosuje się w powietrzu i cieczach. Są to zazwyczaj syreny i piszczałki umożliwiające wytworzenie dużych mocy akustycznych przy częstotliwościach nie przekraczających kilkudziesięciu kHz. Tradycyjnymi generatorami w ośrodkach gazowych tego typu są np. syreny ultradźwiękowe i generator Hartmana, używane do koagulacji dymów, czy też piszczałka Pohlmana-Janowskiego, używana do tworzenia emulsji. Wszystkie te układy wytwarzają ultradźwięki o określonej częstotliwości rezonansowej, związanej z ich konstrukcją, która może być przestrajana w pewnym zakresie, jednakże widma generowanych sygnałów są wąskie.

Jedną z ciekawszych metod mechanicznego wytwarzania ultradźwięków o stosunkowo szerokim widmie częstotliwości jest metoda udarowa polegająca na wytworzeniu deformacji przy zderzeniu stałych ciał sprężystych np. uderzenie małej kuli stalowej o bryłę (płytę, blok, itp.) ciała stałego.

Powoduje to powstanie fal sprężystych, których częstotliwości mogą sięgać 100kHz. Szerokość widma częstotliwości rośnie ze zmniejszeniem masy uderzającej kulki.

Na takiej zasadzie polega np. wytwarzanie sygnałów ultradźwiękowych w konstrukcjach stalowych przez strumień cząsteczek, np. ziaren piasku niesionych przez strumień sprężonego powietrza i uderzających o powierzchnię konstrukcji.

Udarowe metody wytwarzania ultradźwięków o jeszcze większych częstotliwościach polegają na ich wzbudzaniu w ciałach stałych przez strumień cząsteczek i atomów (jonów), a także cząsteczek elementarnych, np. elektronów. Mechanizm generacji ultradźwięków polega tutaj na powstawaniu (przy uderzeniach cząstek) makronaprężeń i lokalnych nagrzewań ośrodka, które stają się źródłem deformacji ośrodka, a więc fal sprężystych.

Metody termiczne
Źródłem fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu jest zwykle ciepło wytwarzane przez silne źródło światła, np. laser impulsowy. Klasycznymi źródłami termicznymi ultradźwięków są wyładowania elektryczne w płynach. Stosując periodyczne lub impulsowe nagrzewania przewodników, a także wyładowania iskrowe można uzyskiwać w cieczach stosunkowo duże natężenia dźwięków i ultradźwięków. Wydajność takich źródeł nie jest duża (około 1%), jednakże przy wytwarzaniu bardzo krótkich impulsów uzyskiwane moce mogą być znaczne.
Jako metodę termicznego wytwarzania ciągłej fali akustycznej wykorzystuje się ciepło Joule’a-Lenza wytwarzane przez przewodnik, przez które płynie prąd stały zmodulowany prądem zmiennym o określonej częstotliwości. Przewodnik taki może stanowić także łuk elektryczny, który jest strumieniem jonów. Płynący prąd jonowy modulowany z dużą częstotliwością stanowi drgające źródło promieniujące ultradźwięki. Urządzenie takie zaopatrzone w odpowiednią tubę nazywa się jonofonem. Metodami tego rodzaju wytwarzano ultradźwięki o częstotliwościach sięgających kilkuset kHz.
Metody elektromechaniczne

Współcześnie stosowane metody elektromechaniczne wykorzystują głównie zjawisko magnetostrykcji i odwrotny efekt piezoelektryczny.

Magnetostrykcja polega na zmianie długości rdzenia magnesu pod wpływem zmiennego pola elektromagnetycznego wytworzonego przez prąd płynący w cewce nawiniętej na ten rdzeń.

Wobec niezależności znaku odkształcenia od zna­ku przyłożonego pola magnetycznego, częstotliwość odkształceń pręta jest dwukrotnie większa od częstotliwości zmian pola magnetycznego.

Do najszerzej stosowanych materiałów magnetostrykcyjnych należą: polikrystaliczny nikiel, kobalt, ferryty.

Metaliczne przetworniki magnetostrykcyjne zbudowane są z zespołu cienkich blaszek o grubości 0,1—0,3 mm, które izolują się od siebie warstwami la­kieru. Na tak wykonanym rdzeniu nawinięta jest cewka, prze którą przepuszcza się prąd stały, a następnie napięcie o wysokiej częstotliwości.

Efekt piezoelektryczny zachodzi w różnych minerałach, np. kryształach kwarcu lub turmalinu. Polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu szybko zmiennego pola elektrycznego. Prowadzi to do rozszerzenia lub skurczenia grubości płytki i do powstania drgań o odpowiedniej częstotliwości.

W związku z małym efektem piezoelektrycznym kwarcu, przetworniki kwarcowe trzeba zasilać wysokim napięciem.

Metody optyczne
W zależności od własności światła laserowego i sposobu jego oddziaływania z materialnym ośrodkiem można w nim wytworzyć fale sprężyste w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych, aż do zakresu hiperdźwiękowego. Metoda ta jest bezkontaktowa i umożliwia wzbudzanie bardzo krótkich impulsów o nano- i pikosekundowych czasach trwania, przy czym amplitudy impulsów sprężystych mogą być bardzo małe oraz bardzo duże w zależności od mocy użytych laserów. W zależności od uformowania wiązki laserowej wzbudzania mogą być zlokalizowane nawet na bardzo małych powierzchniach, co także ma duże znaczenie praktyczne.

Metody magnetyczne

Jedną z metoda generowania i odbioru fal ultradźwiękowych w metalach jest bezpośrednia metoda ich wzbudzenia za pomocą pola magnetycznego bez jakiegokolwiek przetwornika pośredniego. Miniaturowy, ale silny elektromagnes umieszcza się tak, aby jego pole było równoległe do powierzchni metalu, co powoduje powstanie fal ultradźwiękowe podłużnych, albo aby jego pole było prostopadłe do powierzchni, żeby wytworzyć fale poprzeczne.

3. Omówić mechanizmy fizycznego i chemicznego oddziaływania fal ultradźwiękowych.

Fale działające na ciecze mogą wywoływać w nich procesy o charakterze fizykoche­micznym i biologicznym. Można tu wymienić np. rozdrabnianie, przyspieszenie koagulacji, odgazowanie cieczy, obniżenie temperatury wrzenia niektórych cieczy, różne reakcje chemiczne i elektrochemiczne.

Zakres częstotliwości fal akustycznych wywołujących wspomniane procesy waha się w granicach od kilku kHz do MHz, przy czym natężenie fal musi być dość znaczne. Prze­ważnie występuje wówczas zjawisko kawitacji omówione w dalszej części wykładu.

Dyspergowanie w polu ultradźwiękowym

Dyspersja jest stanem rozdrobnienia substancji rozproszonej w cieczy (układ koloidalny).

Są to różnego rodzaju procesy np, rozdrabniania ziaren zawiesin. Także emulgowanie jest przykładem efektywnego wpływu ultradźwięków. W niektórych przypadkach metody ultraakustyczne są jedynymi (np.: tworzenie emulsji rtęci w wodzie).

Stosując emulgowanie w polu ultradźwiękowym otrzymuje się wodne zawiesiny miki, gipsu, siarki, hematytu, grafitu lub pigmentów.

Emulsje otrzymane w ten sposób są bardziej trwałe aniżeli emulsje otrzymane innymi spo­sobami.

Rodzajem emulgowanie jest homogenizacja stosowana w przemyśle spożywczym i przemyśle kosmetycznym (przy wyrobie kremów) itp.

Koagulacja w polu ultradźwiękowym

Koagulacja jest procesem polegającym na zmniejszaniu się liczby cząstek fazy rozproszonej w jednostce objętości układu koloidalnego. Wynika to z łączenia się pojedynczych cząstek w większe skupienia tzw.agregaty. Proces ten przebiega w ośrodkach ciekłych i gazowych. Zwiększenie wymiarów cząstek wskutek działania sił kohezji wymaga zmniejszenia ich odległości. Proces ten zachodzi wskutek uderzenia cząstek, które wywołane jest ich drganiami.

Koagulacyjne działanie pola ultradźwiękowego w cieczach znalazło zastosowanie np. w procesach oczyszczania wody. W ośrodkach gazowych stosuje się koagulację np. do usuwanie mgły znad ograniczonego obszaru (np. lotniska) przy użyciu syren ultradźwiękowych (o częstotliwości 45-200 kHz i mocy rzędu 35 kW), wysyłających za pośrednictwem rogu akustycznego fale o dużej częstotliwości. Pod ich wpływem mgła kondensuje się na powierzchni ziemi.

3. Scharakteryzować zjawisko kawitacji.

Kawitacja jest zjawiskiem występującym w cieczach pod wpływem fali ultradźwiękowej. Termin ten jest stosowany do określenia procesu formowania bardzo drobnych pęche­rzyków w cieczy.

Powstanie kawitacji można wytłumaczyć następująco: przy przechodzeniu fali przez ciecz powstają kolejno obszary zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka. W obszarach rozrzedzenia ciśnienie hydrostatyczne obniża się w takim stop­niu, że siły działające na cząsteczki cieczy zaczynają być większe niż siły spójności międzycząstkowej. Następuje rozrywanie cieczy ułatwione ze względu na fakt, że płyn nie jest ośrodkiem idealnie jednorodnym, lecz zawiera większe lub mniejsze ilości rozpuszczonego gazu. Gaz ten może stać się ośrodkiem miejscowego osłabienia spoistości cieczy.

W obszarre zagęszczenia cieczy pęcherzyki zapadają się, a energia zawarta w warstwie cieczy bezpośrednio go otaczającej koncentruje się w coraz mniejszej objętości. Gęstość tej energii może lokalnie osiągnąć wartości równoważne energetycznie podnoszeniu temperatury o 1000 °C. Dlatego przy zapadaniu pęcherzyki stają się źródłem intensywnych fal uderzeniowych (tego typu fala występuje przy detonacji).

Zainteresowanie tym zjawiskiem wywołane jest faktem, że efekty czynnego działania fal ultradźwiękowych, takie jak emulgowanie czy reakcje chemiczne przypisuje się głównie kawitacji.
Minimalna wartość natężenia ultradźwięku, powyżej której pojawia się kawitacja, nazywana jest progiem tego zjawiska. Poziom progu kawitacji zależy w dużej mierze od stopnia obecności gazów jak też od częstotliwości działającego bodźca i temperatury ośrodka.

3. Wymienić procesy technologiczne wykorzystujące ultradźwięki i opisać jeden z nich.
   

Mycie i czyszczenie ultradźwiękami
Wykorzystanie ultradźwięków do mycia i czyszczenia jest jedną z typowych dziedzin zastosowań laboratoryjnych i przemysłowych, w których korzysta się zarówno z działania chemicznego, jak

i dyspergującego do usunięcia niepożądanych substancji zanieczyszczających dany obiekt.
Urządzenia do mycia i czyszczenia ultradźwiękami, zwane myjkami lub płuczkami ultradźwiękowymi, stanowią określonej objętości zbiorniki (wanny), do dna których są zamocowane przetworniki ultradźwiękowe (magnetostrykcyjne lub piezoelektryczne) promieniujące energię akustyczną do cieczy stanowiącej kąpiel dla mytego obiektu. Powstają wówczas drgania cieczy o szybko zmieniającym się rytmie, wywołując zjawisko kawitacji. Działanie pęcherzyków kawitacyjnych jest tak silne, że warstwa brudu osadzona na mytych elementach zostaje szybko oderwana.
Za pomocą myjek ultradźwiękowych usuwa się zanieczyszczenia, które nie poddają się zwyczajnemu myciu czy szorowaniu, a których rozmiary są często mikroskopowe. Skuteczność mycia ultradźwiękowego zależy nie tylko od natężenia, ale również częstotliwości fal. Do usuwania mikroskopowych zanieczyszczeń zwykle stosuje się częstotliwości w zakresie 20-50 kHz. Zanieczyszczenia submikroskopowe wymagają ultradźwięków o większych częstotliwościach, do 150 kHz.
Myjki ultradźwiękowe stosuje się w różnych gałęziach przemysłu, jak na przykład w przemyśle elektrycznym i elektronicznym do czyszczenia płytek obwodów drukowanych, elementów scalonych itp., w przemyśle precyzyjnym do mycia elementów zegarmistrzowskich i wielu innych (np. mycie naczyń chirurgicznych). Szczególne zastosowanie znalazły myjki do procesów galwanizacyjnych, które ulegają znacznemu przyśpieszeniu w polu ultradźwiękowym, a także umożliwiają uzyskanie pokryć galwanicznych znacznie lepszej jakości. Na rysunku przedstawiona jest budowa przykładowej linii ultradźwiękowej.

1.panele ultradźwiękowe, 2.grzałki, 3.powietrze, 4.zespół wentylacyjny i grzałek, 5.skropliny

6.spust do kanalizacji, 7.pompy spłukiwania, 8.manipulator, 9.olej, 10.stanowisko mycia ręcznego długich elementów, 11.stanowisko kondensacji 12.kondensat

Obróbka i formowanie ośrodków twardych ultradźwiękami
Już od wielu lat ultradźwięki o dużych natężeniach są używane do plastycznej obróbki materiałów twardych i kruchych, gdzie konwencjonalna obróbka jest bardzo trudna lub niemożliwa. Można tu wymienić takie materiały jak: stopy trudno topliwe, stopy tytanowe, półprzewodniki takie jak german czy krzem, stopy magnetyczne, ferryty, materiały ceramiczne, szkło kwarc, diamenty (naturalne i sztuczne) i inne.
Obróbka ultradźwiękowa materiałów polega na tym, że narzędzie obrabiające (odpowiednia kształtka do zrobienia na przykład otworu, czy wycięcia o dowolnym profilu) jest pobudzane do drgań ultradźwiękowych przez proszek szlifierski (korundowy) odpowiednio zwilżony i przylegający do materiału obrabianego. Ziarna proszku przejmują energię ultradźwiękową i w precyzyjny sposób niszczą lokalnie obrabiany materiał „wiercąc” otwór i szlifując go jednocześnie. Lokalne siły działają na tak małych odległościach, że nawet kruchy materiał nie pęka. Narzędzie drga z częstotliwością ultradźwiękową (stosunkowo małą 16-30 kHz) i amplitudą drgań w zakresie 0,01-0,06 mm. Proszek szlifierski jest dostarczany z płynem chłodzącym do obszaru obrabianego, drgania jego ziaren tną materiał.

Narzędzia stosowane w tych procesach to obrabiarki ultradźwiękowe. Podstawowym zespołem obrabiarki ultradźwiękowej, składającym się z przetwornika magnetostrykcyjnego wytwarzającego drgania ultradźwiękowe oraz mechanizmu ruchu posuwowego jest głowica ultradźwiękowa stosowana do obróbki twardych i kruchych materiałów, m.in. szkła, porcelany.

Przykładem takiej obrabiarki jest drążarka, służąca do drążenia otworów lub wgłębień o złożonych kształtach, w przedmiotach wykonanych ze stali hartowanych, stopowych, węglików spiekanych i innych materiałów, których obróbka skrawaniem jest bardzo trudna lub nawet niemożliwa.

Spajanie i lutowanie ultradźwiękami.
Bardzo szerokie zastosowanie znalazły ultradźwięki w procesach spajania metali i mas plastycznych oraz w procesach lutowania i metalizacji, szczególnie w przypadku trudno łączących się metali (np. aluminium). Stosuje się w tym procesie ultradźwięki o częstotliwościach w zakresie 20-100 kHz.
Ultradźwiękowe spajanie metali polega na łączeniu części tego samego (np. aluminium- aluminium) lub różnych metali (np. aluminium-złoto) bez ich roztapiania.

Metoda łączenia ultradźwiękami jest szczególnie przydatna przy zatapianiu części me­talowych w termoplastycznych, jak również łączeniu samych materiałów termoplastycznych czy metali. Spajanie to procesy takie jak spawanie czy zgrzewanie materiałów.

Zaletą zgrzewania ultradźwiękowego jest skrócenie czasu obróbki, ponieważ obniżone są wymagania co do czystości powierzchni łączonych. Można zgrzewać materiały pokryte warstwą tlenków, a nawet materiały platerowane i la­kierowane.

Szczególnie duże znaczenie znajdują te technologie przy produkcji elementów pół­przewodnikowych, gdyż łączenie nie wykazuje penetracji materiałów przewodów do pół­przewodnika, a energię konieczną do uzyskania połączenia łatwo jest dozować. Wpływ procesu zgrzewania na właściwości zgrzewanych materiałów jest nieznaczny - właś­ciwości złącza pn nie ulegają zmianie nawet przy grubości warstwy równej 0,5 nm.

Za pomocą zgrzewania ultradźwię­kowego można zamykać szczelnie różne pojemniki z zawartością nieodporną na wysoką temperaturę dzięki temu, że zgrzewane elementy nagrzewają się tylko w obszarze naj­bliższym łączonych powierzchni. Ważną zaletą jest fakt, że po zgrzaniu nie występują żad­ne ślady, co często eliminuje tradycyjne obróbki wykańczające.

Zgrzewarki ultradźwiękowe nie wytwarzają zakłóceń elektrycznych ponieważ narzędzie nie jest pod napięciem.

Technologia lutowania z udziałem ultradźwięków umożliwia nie tylko łączenie elementów z aluminium i jego stopów, ale również lutowanie szeregu stopów lekkich, a także znajduje zastosowanie przy bieleniu cera­miki i spieków polikrystalicznych ferroelektryków.

Technologia ta może być stosowana zarówno przy łączeniu drobnych elementów jak i elementów znacznych rozmiarów, jest wydajna i łatwa do wprowadzenia w skali przemysłowej.

Ten rodzaj łączenia metali dokonywany jest bez udziału topika. Dzięki kawitacji wy­wołanej ultradźwiękami, w roztopionym lucie usuwana jest warstwa tlenku z powierzchni części łączonych co umożliwia lutowi zwilżenie metalu oraz połączenie się z nim. Pęcherzyki kawitacyjne niszczą warstwę utlenioną, a roztopiony lut uzys­kuje dostęp do czystej powierzchni. Oderwane przy tym resztki tlenków wypływają na powierzchnię lutu.

Zalety technologii lutowania ultradź­więkowego wynikają z prostoty procesu: wyeliminowania prac związanych z przygotowa­niem czystych powierzchni do lutowania, z brakiem potrzeby stosowania topików i atmosfer ochronnych w trakcie lutowania, z dużą powtarzalnością właściwości złącz a zatem ich jakością.