Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (РЕ)"

Релаксация (физич.)

Релакса'ция (от лат. relaxatio – ослабление, уменьшение), процесс установления термодинамического, а следовательно, и статистического равновесия в физической системе, состоящей из большого числа частиц. Р. – многоступенчатый процесс, т. к. не все физические параметры системы (распределение частиц по координатам и импульсам, температура, давление, концентрация в малых объёмах и во всей системе и др.) стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Обычно сначала устанавливается равновесие по какому-либо параметру (частичное равновесие), что также называется Р. Все процессы Р. являются неравновесными процессами, при которых в системе происходит диссипация энергии, т. е. производится энтропия (в замкнутой системе энтропия возрастает). В различных системах Р. имеет свои особенности, зависящие от характера взаимодействия между частицами системы; поэтому процессы Р. весьма многообразны. Время установления равновесия (частичного или полного) в системе называется временем релаксации.

  Процесс установления равновесия в газах определяется длиной свободного пробега частиц l и временем свободного пробега t (среднее расстояние и среднее время между двумя последовательными столкновениями молекул). Отношение l/t имеет порядок величины скорости частиц. Величины l и t очень малы по сравнению с макроскопическими масштабами длины и времени. С др. стороны, для газов время свободного пробега значительно больше времени столкновения t _{(t >> t). Только при этом условии Р. определяется лишь парными столкновениями молекул.}

  В одноатомных газах (без внутренних степеней свободы, т. е. обладающих только поступательными степенями свободы) Р. происходит в два этапа. На первом этапе за короткий промежуток времени, порядка времени столкновения молекул то, начальное, даже сильно неравновесное, состояние хаотизируется таким образом, что становятся несущественными детали начального состояния и оказывается возможным т. н. «сокращённое описание» неравновесного состояния системы, когда не требуется знания вероятности распределения всех частиц системы по координатам и импульсам, а достаточно знать распределение одной частицы по координатам и импульсам в зависимости от времени, т. е. одночастичную функцию распределения молекул. (Все остальные функции распределения более высокого порядка, описывающие распределения по состояниям двух, трёх и т. д. частиц, зависят от времени лишь через одночастичную функцию). Одночастичная функция удовлетворяет кинетическому уравнению Больцмана, которое описывает процесс Р. Этот этап называется кинетическим и является очень быстрым процессом Р. На втором этапе за время порядка времени свободного пробега молекул и в результате всего нескольких столкновений в макроскопически малых объёмах системы устанавливается локальное равновесие; ему соответствует локально-равновесное, или квазиравновесное, распределение, которое характеризуется такими же параметрами, как и при полном равновесии системы, но зависящими от пространственных координат и времени. Эти малые объёмы содержат ещё очень много молекул, а поскольку они взаимодействуют с окружением лишь на своей поверхности, их можно считать приближённо изолированными. Параметры локально-равновесного распределения в процессе Р. медленно стремятся к равновесным, а состояние системы обычно мало отличается от равновесного. Время Р. для локального равновесия t_р » t_{. После установления локального равновесия для описания Р. неравновесного состояния системы служат уравнения гидродинамики (Навье – Стокса уравнения, уравнения теплопроводности,диффузии и т.п.). При этом предполагается, что термодинамические параметры системы (плотность, температура и т. д.) и массовая скорость (средняя скорость переноса массы) мало меняются за время t и на расстоянии l. Этот этап Р. называется гидродинамическим. Дальнейшая Р. системы к состоянию полного статистического равновесия, при котором выравниваются средние скорости частиц, средняя температура, средняя концентрация и т. д., происходит медленно в результате очень большого числа столкновений. Такие процессы (вязкость, теплопроводность, диффузия, электропроводность и т. п.) называются медленными. Соответствующее время P. tp зависит от размеров L системы и велико по сравнению с t: t0 ~ t(L/l)² >> t, что имеет место при l << L, т.е. для не сильно разреженных газов.}

  В многоатомных газах (с внутренними степенями свободы) может быть замедлен обмен энергией между поступательными и внутренними степенями свободы, и возникает процесс Р., связанный с этим явлением. Быстрее всего – за время порядка времени между столкновениями – устанавливается равновесие по поступательным степеням свободы; такое равновесное состояние можно охарактеризовать соответствующей температурой. Равновесие между поступательными и вращательными степенями свободы устанавливается значительно медленнее. Возбуждение колебательных степеней свободы может происходить лишь при высоких температурах. Поэтому в многоатомных tгазах возможны многоступенчатые процессы Р. энергии колебательных и вращательных степеней свободы.

  В смесях газов с сильно различающимися массами молекул замедлен обмен энергией между компонентами, вследствие чего возможно возникновение состояния с различными температурами компонент и процессы Р. их температур. Например, в плазме сильно различаются массы ионов и электронов. Быстрее всего устанавливается равновесие электронной компоненты, затем приходит в равновесие ионная компонента, и значительно большее время требуется для установления равновесия между электронами и ионами; поэтому в плазме могут длительное время существовать состояния, в которых ионные и электронные температуры различны а, следовательно, происходят процессы Р. температур компонент.

  В жидкостях теряет смысл понятие времени и длины свободного пробега частиц (а следовательно, и кинетического уравнения для одночастичной функции распределения). Аналогичную роль для жидкости играют величины t₁ и l₁ – время и длина корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии или импульса; t₁ и l₁ характеризуют затухание во времени и в пространстве взаимного влияния молекул, т. е. корреляции. При этом полностью остаётся в силе понятие гидродинамического этапа Р. и локально-равновесного состояния. В макроскопически малых объёмах жидкости, но ещё достаточно больших по сравнению с длиной корреляции l₁, локально-равновесное распределение устанавливается за время порядка времени корреляции t₁(t_p » t₁) в результате интенсивного взаимодействия между молекулами (а не парных столкновений, как в газе), но эти объёмы по-прежнему можно считать приближённо изолированными. На гидродинамическом этапе Р. в жидкости термодинамические параметры и массовая скорость удовлетворяют таким же уравнениям гидродинамики, как и для газов (при условии малости изменения термодинамических параметров и массовой скорости за время t₁ и на расстоянии l₁). Время Р. к полному термодинамическому равновесию t_p » t₁ (L/l₁)² (так же, как в газе и твёрдом теле) можно оценить с помощью кинетических коэффициентов (см. Кинетика физическая). Например, время Р. концентрации в бинарной смеси в объёме L³ порядка t_p » L²/D, где D — коэффициент диффузии, время Р. температуры t_p » L²/c где c — коэффициент температуропроводности, и т. д. Для жидкости с внутренними степенями свободы молекул возможно сочетание гидродинамического описания поступательных степеней свободы с дополнительными уравнениями для описания Р. внутренних степеней свободы (релаксационная гидродинамика).

  В твёрдых телах, как и в квантовых жидкостях, Р. можно описывать как Р. в газе квазичастиц. В этом случае можно ввести время и длину свободного пробега соответствующих квазичастиц (при условии малости возбуждения системы). Например, в кристаллической решётке при низких температурах упругие колебания можно трактовать как газ фононов. Взаимодействие между фононами приводит к квантовым переходам, т. е. к столкновениям между ними. Р. энергии в кристаллической решётке описывается кинетическим уравнением для фононов. В системе спиновых магнитных моментов ферромагнетика квазичастицами являются магноны; Р. (например, намагниченности) можно описывать кинетическим уравнением для магнонов. Р. магнитного момента в ферромагнетике происходит в два этапа: на первом этапе за счёт относительно сильного обменного взаимодействия устанавливается равновесное значение абсолютной величины магнитного момента. На втором этапе за счёт слабого спин-орбитального взаимодействия магнитный момент медленно ориентируется вдоль оси лёгкого намагничивания; этот этап аналогичен гидродинамическому этапу Р. в газах (см. Релаксация магнитная).

  Лит.: Уленбек Д., форд Дж., Лекции по статистической механике, пер. с англ., М., 1965. См. также лит. при ст. Кинетика физическая.

  Д. Н. Зубарев.

Релаксин

Релакси'н (от лат. relaxo – ослабляю), гормон, образующийся главным образом в яичниках. При беременности вызывает расслабление связок лонного сочленения тазовых костей; благодаря этому происходит расширение таза, что способствует нормальному протеканию родов. Другой характерный эффект Р. – тормозящее действие на спонтанные сокращения матки. По химической природе Р. – полипептид. Высоко очищенный Р. свиньи проявляет выраженные основные свойства; молярная масса – около 6500; состоит из 2 субъединиц (22 и 28—31 аминокислотных остатков), соединённых дисульфидной связью (первичная структура не определена). Возможен биосинтез Р. (или близких к нему по строению полипептидов) и в др. тканях, в частности в матке и плаценте.

Реле

Реле' (франц. relais, от relayer – cmeнять, заменять), устройство, содержащее релейный элемент и предназначенное для осуществления скачкообразных изменений состояния какой-либо электрической цепи в результате заданных входных воздействий. Обычно число рабочих состояний управляемой цепи ограничено двумя или (реже) тремя. Часто название «Р.» применяют также по отношению к устройствам релейного действия, производящим изменение состояния пневматических, гидравлических или др. цепей, а иногда – к одному релейному элементу. Исторически название «Р.» было впервые применено к электромагнитным Р., которые использовались с целью усиления электрических телеграфных сигналов, ослабленных в длинных линиях передачи, до значений, достаточных для работы телеграфных аппаратов.

  Соответственно области техники, в которой Р. находят применение, различают телеграфные, телефонные, авиационные и др. типы Р. В соответствии с физической природой внешних явлений, вызывающих действие Р., их делят на электрические (с дальнейшим подразделением на Р. тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты и т. д.), механические (Р. перемещения, скорости, ускорения, давления, уровня и др.), тепловые, оптические, акустические, химические, магнитные и т.д. В зависимости от выполняемых ими функций различают Р. защиты, контроля, управления, сигнализации и др. В названии Р. часто указываются особенности его основных органов (электромагнитное, магнитоэлектрическое, электротермическое, контактное, бесконтактное, биметаллическое, соленоидное и т. п.) или конструкции Р. в целом (герметичное, негерметичное). Р. может управлять одновременно несколькими независимыми электрическими цепями. Исполнительными органами Р. долгое время были исключительно контакты. С 50-х гг. 20 в. в конструкциях Р. применяют магнитонасыщенные элементы (магнитные усилители) и полупроводниковые приборы (транзисторы,тиристоры), не требующие для управления электрическими цепями механических перемещений.

  В середине 70-х гг. самыми распространёнными остаются электромагнитные Р. Схема простейшего электромагнитного Р. показана на рис. Оно срабатывает в результате взаимодействия ферромагнитного якоря с магнитным полем обмотки, по которой идёт ток. При определённой величине тока в обмотке Р. якорь притягивается к сердечнику, производя переключение контактов в управляемой цепи.

  Особую группу Р. составляют реле времени, которые в релейных устройствах выполняют функции задержки времени при передаче внешних воздействий вне или внутри релейного устройства.

  Лит.: Сотеков Б. С., Основы расчёта. и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств, М. – Л., 1965.

  И. Е. Декабрун, Б. И. Филипович.

Электромагнитное реле: 1 – сердечник; 2 – обмотка; 3 – ярмо; 4 – якорь; 5 – контакты; 6 – возвратная пружина.

Реле времени

Реле' вре'мени, реле выдержки времени, замедляющее реле, реле, предназначенное для создания необходимой задержки в передаче воздействия между отдельными узлами автоматических устройств или от одного устройства к другому. В Р. в. можно выделить три характерные части: воспринимающую – обеспечивающую приведение реле в действие при поступлении управляющего сигнала, замедляющую – реализующую заданную выдержку времени, исполнительную – осуществляющую воздействие на управляемый объект. По способу запуска различают Р. в. с электрическим, гидравлическим, пневматическим и ручным управлением; по виду выходного сигнала – электрические, пневматические и гидравлические Р. в.; по способу замедления – Р. в. с электрическим, пневматическим, магнитным, механическим, электромеханическим, термическим и гидравлическим замедлением. Наиболее распространена классификация Р. в. по третьему признаку. Выбор типа Р. в. производится в зависимости от принципа действия используемых автоматических устройств (электрических, пневматических или гидравлических; непрерывного или дискретного действия и др.), условий эксплуатации (рабочие температуры, частота включений, наличие вибраций, повышенная влажность и т. п.), надёжности и стоимости Р. в.

  Лит. см. при статьях Реле,Релейный элемент.

Релейная защита

Реле'йная защи'та электрических систем, совокупность устройств (или отдельное устройство), содержащая реле и способная реагировать на короткие замыкания (КЗ) в различных элементах электрической системы – автоматически выявлять и отключать поврежденный участок. В ряде случаев Р. з. может реагировать и на др. нарушения нормального режима работы системы (например, на повышение тока, напряжения) – включать сигнализацию или (реже) отключать соответствующий элемент системы. КЗ – основной вид повреждений в электрических системах как по частоте возникновения, так и по масштабам отрицательных последствий. При КЗ наступает резкое и неравномерное понижение напряжения в системе и значительное увеличение тока в отдельных её элементах, что в конечном счёте может привести к прекращению электроснабжения потребителей и разрушению оборудования. Применение Р. з. сводит вредные последствия КЗ к минимуму.

  Р. з. срабатывает при изменениях определённых электрических величин. Чаще всего встречается Р. з., реагирующая на повышение тока (токовая защита). Нередко в качестве воздействующей величины используют напряжение. Применяют также Р. з., реагирующую на снижение отношения напряжения к току, которое пропорционально расстоянию (дистанции) от Р. з. до места КЗ (дистанционная защита). Обычно устройства Р. з. изолированы от системы; информация об электрических величинах поступает на них от измерительных трансформаторовтока или напряжения либо от др. измерительных преобразователей.

  Как правило, каждый элемент электрической системы (генератор, трансформатор, линию электропередачи и т.д.) оборудуют отдельными устройствами Р. з. Защита системы в целом обеспечивается комплексной селективной Р. з., при этом отключение поврежденного элемента осуществляется вполне определённым устройством Р. з., а остальные устройства, получая информацию о КЗ, не срабатывают. Такая Р. з. должна срабатывать при КЗ, внутренних по отношению к защищаемому элементу, не срабатывать при внешних, а также не срабатывать в отсутствии КЗ.

  Селективность (избирательность) Р. з. характеризуется протяжённостью зоны срабатывания защиты (при КЗ в пределах этой зоны Р. з. срабатывает с заданным быстродействием) и видами режимов работы системы, при которых предусматривается её несрабатывание. В зависимости от уровня селективности при внешних КЗ принято делить Р. з. на абсолютно селективные, не срабатывающие при любых внешних КЗ, относительно селективные, срабатывание которых при внешних КЗ предусмотрено только в случае отказа защиты или выключателя смежного поврежденного элемента, и неселективные, срабатывание которых допускается (в целях упрощения) при внешних КЗ в границах некоторой зоны. Наиболее распространены относительно селективные Р. з. Любая Р. з. должна удовлетворять требованиям устойчивости функционирования, характеризующейся совершенством способов «распознавания» защитой режима работы электрической системы, и надёжности функционирования, определяющейся в первую очередь отсутствием отказов устройств Р. з.

  Один из простейших путей достижения селективности Р. з. (обычно токовых и дистанционных) – применение реле, в которых между моментом возникновения требования о срабатывании реле и завершением процесса срабатывания проходит строго определённый промежуток времени, называется выдержкой времени (см. Реле времени).

  На рис. 1 показаны схема участка радиальной электрической сети с односторонним питанием (при котором ток к месту КЗ идёт с одной стороны), оснащенного относительно селективной Р. з., и соответствующие выдержки времени. Устройства Р. з. 1 и 2 имеют по три ступени, каждая из которых настроена на определённые значения входного сигнала т. о., что выдержка времени этих устройств ступенчато зависит от расстояния до места КЗ. Протяжённость зон, защищаемых отдельными ступенями, и соответствующие им выдержки времени выбираются с таким расчётом, чтобы устройства защиты поврежденных участков сети срабатывали раньше др. устройств. Зону первой ступени Р. з., не имеющей специального замедления срабатывания, приходится принимать несколько меньшей защищаемого участка, поскольку, например, устройство 1 не способно различить КЗ в точках K₁ и K₂. Последние ступени Р. з. (в Р. з., показанной на рис. 1, – третьи) – резервные, у них часто нет четко ограниченной зоны срабатывания.

  В сетях, в которых ток к месту КЗ может идти с двух сторон (от разных источников питания или по обходной связи), относительно селективные Р. з. выполняют направленными – срабатывающими только тогда, когда мощность КЗ передаётся через защищаемые элементы в условном направлении от шин ближайшей подстанции в линию. Так, при КЗ в точке К (рис. 2) могут сработать только устройства 1, 3, 4 и 6. При этом устройства 1 и 3 (4 и 6) для обеспечения селективности согласованы между собой по зонам срабатывания и выдержкам времени.

  В ряде случаев – на достаточно мощных генераторах, трансформаторах, линиях напряжением 110 кв и выше – для обеспечения высокого быстродействия Р. з. применяют сравнительно сложные абсолютно селективные защиты. Из них наиболее распространены т. н. продольные защиты, к которым для распознавания КЗ, в конце «своего» и в начале смежного участков подводится информация с разных концов элемента. Так, продольная дифференциальная токовая защита реагирует на геометрическую разность векторов токов на концах элемента. Эта разность при внешнем КЗ теоретически равна нулю, а при внутреннем – току в месте КЗ. В защитах др. типов производится сопоставление фаз векторов тока (дифференциально-фазная защита) или направлений потока мощности на концах элемента. К продольным защитам электрических машин и линий длиной примерно до 10 км информация об изменении электрических величин поступает непосредственно по соединительным проводам. На более длинных линиях для передачи такой информации обычно используют ВЧ каналы связи по проводам самой линии, а также УКВ каналы радиосвязи и радиорелейные линии.

  Лит.: Атабеков Г. И., Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей, М, – Л., 1957; Федосеев А. И., Основы релейной защиты, 2 изд., М. – Л., 1961; Руководящие указания по релейной защите, в. 1—9, М. – Л., 1961—72; Федосеев А. М., Релейная защита электрических систем, М., 1975.

  Э. П. Смирнов.

Рис. 2. Схема релейной защиты сети с двусторонним питанием; А, Б, В, Г – сборные шины подстанций; Г – источники питания; 1 – 6 – устройства релейной защиты; К – точка короткого замыкания.

Рис. 1. Схема участка радиальной электрической сети с односторонним питанием, оснащенного относительно селективной релейной защитой, и соответствующие выдержки времени: А, Б, В, – сборные шины подстанций; В – выключатели; Г – источник питания; ТТ – трансформаторы тока; 1, 2 – устройства линейной защиты; К – точки короткого замыкания; t – выдержка времени; по оси абсцисс отложено расстояние вдоль линии.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (РЕ)"