Трансформатор П-600 на эффекте бегущей волны

Трансформатор П-600 на эффекте бегущей волны

Сам принцип родился из нашумевшего на энергетических форумах «волнового резонанса», получение которого представляет определённые трудности из-за одновременного выполнения нескольких условий. Например, необходимо получить почти идеальное отражение волны от обоих концов длинной линии при том, что полученный между ними максимум тока или напряжения должен перемещаться вдоль этой линии с заданной скоростью. Кроме этого, одновременно с описываемыми процессами предполагается получение и LC-резонанса.

Предлагаемая идея сильно упрощает первую и главную задачу: получение и передвижение максимума тока или напряжения вдоль длинной линии. Фактически, мы должны перераспределить электроны вторичной обмотки трансформатора по её длине, смещая их максимум на один из концов вторичной катушки, получая там, таким образом, пучность тока (напряжения).

В этой серии заметок автор не будет затрагивать вопросы конструктивного исполнения и конкретной реализации устройства, а лишь делится со своими читателями идеями и возможными путями их воплощения. Тем не менее, некоторые ключевые моменты конструкции будут здесь описаны.

Ток и напряжение во вторичной обмотке обычного трансформатора можно описать функцией от времени:


Примечание. Изображенный на схеме способ возбуждения первичных обмоток далеко не единственный

На принципиальной схеме изображены восемь первичных катушек, но согласно расчетам, в общем случае, их может быть три или более. Общая формула для нахождения эффективности TTW, а точнее — увеличения КПД второго рода eta_ <2>, такая:

Как видно из формулы, если число первичных обмоток будет одна или две, то никакого увеличения eta_ <2>мы не получим. Эффективность установки может проявиться только начиная с N = 3 , но, учитывая привычный нам КПД, который в преобразователях подобного типа может быть достигать 75%, в реальном устройстве минимальное число первичных катушек должно быть не менее четырёх.

Автор предлагает начать с N = 8 , когда эффект от TTW будет явно проявлен. Для этого нужно будет намотать восемь независимых и расположенных рядом катушек, которые должны затем вставляться внутрь (или надеваться поверх) одной вторичной катушки. Это и будет наш TTW.

Вообще говоря, расположение и намотка катушек TTW — это ещё одна отдельная тема для разработки. Конструкция трансформатора может быть разной: от плоской, до торроидальной. Также, вторичная катушка может использовать свойства сердечника, — наматываться и располагаться, как девятая катушка, в один ряд с остальными.

Возбуждать первичные обмотки будем одиночными импульсами последовательно по-очереди: от I-ой до VIII-й (см. схему). На вторичной обмотке мы должны будем получить максимальное напряжение, которое будет зависеть от длительности импульсов в первичных обмотках, их индуктивностей, ёмкости Cр и сопротивления нагрузки Rн.

Возбуждать катушки первичных обмоток можно разными способами, ниже — приведём один из них. Эта схема состоит из трёх цифровых микросхем высокоскоростной серии 74HCXX, одного стабилизатора напряжения и восьми выходных транзисторов.

Список элементов схемы и их замены (в скобках):

  • DD1 — 74HC00 (1564ЛА3)
  • DD2 — 74HC393 (1564ИЕ19)
  • DD3 — 74HC164 (1564ИР8)
  • DA1 — LM7805 (КР142ЕН5А)
  • VD1..VD4 — 1N4148 (любой маломощный ультрафаст)
  • SA1 — DS-04B, SWD1-4 (любой DIP-переключатель на 4 секции)
  • SA2 — DS-02B, SWD1-2 (любой DIP-переключатель на 2 секции)
  • VT1..VT8 — 2SC4793 (быстродействующий, с крутыми фронтами, малой ёмкостью, напряжением коллектор-эмиттер более 200 V и коэффициентом усиления по току не менее 100).

Сдвиговый регистр DD3 вместе в генератором DD1.1-DD1.2 формирует последовательную серию импульсов, которые управляют выходными транзисторами VT1-VT8. В зависимости от положения переключателя SA1 меняется длительность импульсов бегущей волны, а также — её скважность. Это становится возможным при помощи различных комбинаций двоичного кода с выхода счётчика DD2, которые через диоды VD1-VD4 и переключатель SA1 задают эти параметры. Два верхних контакта SA1 определяет длительность импульса волны (от 1-го до 3-х тактовых периодов), два нижних — промежуток между этими импульсами. Если все контакты этого переключателя разомкнуты, то после завершения последней волны все выходные транзисторы корректно отключатся.

Переключателем SA2 меняется частотный диапазон работы задающего генератора.

На схеме не показаны выводы питания микросхем. Они стандартные: 7 — минус питания (общий), 14 — плюс. Все минусы нужно соединить и подключить к общему проводу и к Gnd стабилизатора DA1. Все плюсовые выводы — к его Out (или +5V).

Более совершенная схема выходных каскадов раскачки собирается на драйверах выходного сигнала TC4420 (DA1-DA8) и ключах на MOSFET-ах (VT1-VT8). Транзисторы для ключей нужно выбирать по следующим параметрам: время нарастания и спада сигнала — не более 100 ns, выходная ёмкость — не более 600 pF, максимальное напряжение сток-исток — более 400 V. Очень хорошо в таких схемах работают MOSFET-ы IRFP460, IRFP840.

Выводы питания драйверов последовательно шунтируются ёмкостями в 100 nF, а на входе питания — дополнительно — 10 мкФ.

Общее питание схемы нужно будет снизить с 24 до 15..18V — согласно паспортным данным драйвера TC4420.

Схема возбуждения настройки не требует, а вот её совместная работа с TTW потребует кропотливой работы и творческого подхода. Здесь автор может высказать лишь свои соображения, а получение всех возможных эффектов (в том числе и СЕ) будет зависеть только от вас, дорогие читатели.

Главной особенностью работы нашего трансформатора является получение бегущей волны вдоль вторичной катушки, причём её скорость должна соответствовать скорости распостранения электромагнитной волны (магнитного потока). Эта скорость, а значит и частота переключения выходных транзисторов будет максимальной, если TTW будет воздушным. Для такого трансформатора нужно применять более высокоскоростные схемы возбуждения — на 100 МГц и более.

Сердечник замедляет этот процесс, причём, чем выш его проницаемость, тем больше. Скорость распостранения волны в феррите 2000НМ — 5-10 нс/см, а железе — порядка микросекунды/см, что уже подходит для приведенной выше схемы. С различными типами сердечника возможно получение новых свойств этого трансформатора.

Вторая особенность, которая открывает новые возможности, — получение LC-резонанса вторичной обмотки TTW и Cр. При выполнении всех этих условий возможно получение интересных эффектов, недостижимых в экспериментах с обычным трансформатором.

Трансформатор П-600 на эффекте бегущей волны

Экспериментировал с выходной катушкой. Собрал простой кварцевый генератор подкидывал разный кварцы, подбирал длину катушки. В цепь конденсатора С8 включил резистор 1 ом — как измеритель тока проверял по осциллограмме.
Результат — 14 волны ток есть, 12 волны — тока нет, 1 длинна волны — тока нет.

Читайте также:
Видео мастер-класс. Мангал из камня за 15 минут

То есть если длинна провода в катушке совпадает с длинной волны частоты генератора, то конденсатор большой ёмкости и даже короткое замыкание не влияет на ток потребление – тока в цепи обмотки нет !
Но есть одно замечательное свойство — отражение электромагнитной волны от неоднородностей.
Приведу пример — включим мощный передатчик и отключим антенну, выходной каскад просто сгорит (нет нагрузки). Но во первых выходной каскад сгорает не из-за того что нет нагрузки, а из-за того, что на конце кабеля возникает неоднородность материи (кабель кончается) образуется отражение электромагнитной волны от конца кабеля и отражённая волна поступает обратно в кабель. Происходит сложение фаз сигнала прямой волны и отражённой и как следствие идёт лавинное образование больших мощностей — которые и выводят выходной каскад из строя.
Но.
выходной каскад как показала моя практика сгорает не всегда, а только тогда, когда длинна кабеля не совпадает с длинной волны (возникает КСВ).

С отражением получается интересный эффект — мы затратили энергию на возникновение электромагнитной волны и с задержкой по времени волна возвращается к нам отдавая нашу затраченную энергию, которая складывается с следующий порцией энергии. Многократное сложение волн даёт лавинный приток энергии.
Ни каких нарушений законов физики — просто дали энергию в займы и получаем свои проценты.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Длина проводов суммируется с длиной цепи контура и это надо учитывать,иногда считанные сантиметры играют роль.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

doktorsvet пишет:
И вообще мне тут как бы скучно паять одному в одно лицо, давайте присоединяйтесь, а результаты выкладывайте сюда на ветку.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Продолжаю эксперименты. Собрал генератор ВЧ по схеме автора.
Запускается если расположить обмотки так:

настроил на частоту 14 Mhz. Работает крайне не стабильно. С прогревом транзистора сильно уходит частота ( с 14.1 до 13.5 ). Иногда происходит срыв генерации.

Решил всё таки остановиться на схеме с кварцем ( которую выкладывал ранее ).

Обмотки оставил также, потому что такое расположение исключает влияние обмоток между собой. Гармоника которая возникает в коллекторной катушке гасится противофазным расположением обмоток ВЧ.
Начинаю финальную сборку, пока решаю на каком кварце остановиться. Думаю что на 13809 кГц.

Эксы встали — кончился провод. Подкуплю, продолжу.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Magur пишет: Эти несколько загогулин должны сразу совпадать с собственным резонансом катушки, тогда энергия на переходном процессе теряться не будет.

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Обмотки
генератора НЧ по 10 витков.

Как на 50кГц может работать генератор без сердечника?.
Может, обмотки по десять витков, это вторички, а сам генератор НЧ намотан все таки на сердечнике?

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Обмотки
генератора НЧ по 10 витков.

Как на 50кГц может работать генератор без сердечника?.
Может, обмотки по десять витков, это вторички, а сам генератор НЧ намотан все таки на сердечнике?

Скважность сделай 20 % и будет работать.

А где Вы увидели на 555 изменение скважности?

Пожалуйста Войти или Регистрация, чтобы присоединиться к беседе.

Как недопонимание одного явления привело к недопониманию учёными других явлений.

Надеюсь, что в этой попытке написать научно-популярную статью мне удалось докопаться до некоторой истины. Однако, судить вам, читатель.

Электричество — такая же вечная тема для учёных, как и Бог для верующих людей. Только в отличие от Бога, электричество можно ощутить, его действие можно даже увидеть глазами а также с помощью приборов, вследствие этого его можно изучать, его можно подчинить воле человека и, наконец, электрическую энергию можно поставить на службу человеку. Это и было сделано ещё в 19 веке, когда были открыты электромагнетизм, электромагнитная индукция, изобретены электрические трансформаторы, электрические лампы, электрические реле и электрические двигатели, и т.п. Когда в том же 19 веке была открыта возможность генерации радиоволн, а потом и возможность их приёма на некотором удалении от источника, началась новая эра человечества — «Эра Радио».

Итак, чего же, на мой взгляд, изначально недопоняли учёные 19 века, что привело к недопониманию последующими поколениями физиков ряда других явлений и эффектов? Каких именно? Об этом я расскажу в середине своего повествования.

А для начала, вспомним о таком явлении как электростатика.

Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

В 1836 году английский учёный Майкл Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном пустотелом проводнике любой формы локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы, находящиеся внутри полого проводника.

Из этого следовало, что, если сделать из хорошо проводящей электричество проволоки большую клетку и посадить в неё человека, то даже удары молнии по этой клетке не причинят человеку никакого вреда. Что и демонстрирует практический опыт, представленный на этой фотографии:

К такому убеждению Майкл Фарадей и пришёл в 1836 году, когда он с помощью электроскопа, измеряющего электрический потенциал заряженных тел, смог удостовериться в том, что внутри металлической клетки электрического заряда нет. Если металлическая клетка заряжена статическим электричеством, положительным или отрицательным, весь заряд находится исключительно на наружной стороне металлической клетки.

Почему так?

В электронной энциклопедии сказано: «Принцип работы клетки Фарадея очень простой — при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. » Источник.

На мой взгляд, это неполное объяснение. Оно касается лишь частного случая, когда клетка Фарадея находится вблизи заряженного статическим электричеством некоего тела. Но это не ответ на поставленный вопрос. К тому же, любые тела можно электризовать (заряжать) непосредственно перемещая на них электрические заряды, изъятые из другого заряженного тела.

Поэтому вопрос остаётся открытым: почему избыточный заряд на заряженном пустотелом проводнике любой формы локализуется лишь на его внешней стороне, и почему на внутренней стороне заряженного полого тела заряда нет?

Читайте также:
Плоскорез Фокина - заменяет все садово огородные инструменты (видеообзор + чертежи)

Само это наблюдаемое явление — заряд локализуется на наружной стороне тела — позволило американскому физику Роберту Ван де Граафу создать в 1929 году высоковольтный электрический генератор, названный впоследствии его именем.

Как работает генератор Ван де Граафа, объясняет приведенная ниже схема: электрические заряды (статическое электричество) порционно вносятся внутрь проводящей сферы с помощью электризуемой кольцевой ленты, движущейся по двум направляющим роликам. Внутри сферы электрические заряды также порционно снимаются с ленты с помощью специальной металлической щётки, и они моментально переходят на наружную сторону проводящей сферы, создавая на ней высокую плотность электрических зарядов, характеризуемую высокой электрической напряжённостью.

«Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 на рисунке), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высокого напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.»

Как видите, всё гениальное — просто! А в данном случае до примитива просто!

Первый такой генератор создавал разность электрических потенциалов до 80 тысяч Вольт. А самый мощный генератор Ван де Граафа, созданный в ХХ веке, создавал электрическое напряжение до 7 миллионов Вольт. Источник.

Однако, давайте разбираться, почему избыточный заряд на заряженном пустотелом проводнике любой формы локализуется лишь на его внешней стороне, и почему его нет на внутренней стороне полого тела?

Наука говорит: «В металлах имеется огромное число свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объёму металла».

Хорошо, это знание принимается к сведению! Но в нашем случае получается, что избыточные свободные электроны, которые делают тело заряженным, не хотят перемещаться по всему объёму металла, они располагаются только на его наружной поверхности.

В учебниках физики по этому поводу написано: «электрические заряды, сообщённые телу извне, в состоянии равновесия распределяются так, что электрическое поле внутри проводника отсутствует».

Смотрите, опять есть констатация факта, но нет его объяснения, почему? При этом в тех же учебниках сообщается очень важный нюанс: «заряды располагаются в поверхностном тонком слое проводника и характеризуются поверхностной плотностью зарядов».

Если добавить к этому, что заряды противоположного знака притягиваются друг к другу, а заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а свободные электроны — это заряды одного знака, то картина более-менее становится понятной.

Посмотрите сейчас на рисунок справа, на котором представлено через картину электрических силовых линий взаимодействие двух одноимённых зарядов. Вы видите белое поле между зарядами, свободное от силовых линий? Это нейтральная зона, в которой электрические силы скомпенсированы взаимным противодействием зарядов одного знака!

Возьмём теперь не заряды, а заряженную статическим электричеством прямолинейную проволоку произвольной длины. Если изобразить электрическое поле вокруг неё, то при взгляде с торца прямой проволоки, заряженной положительным или отрицательным электричеством, мы увидим точно такую же картину силовых линий электрического поля, какую создаёт и одиночный точечный заряд.

А если мы теперь свернём проволоку в кольцо и тоже зарядим его статическим электричеством, то картина силовых линий электрического поля вокруг кольца будет примерно такой:

Также эту картину силовых линий электрического поля нетрудно представить объёмной, понимая, что здесь мы рассматриваем кольцо, обращённое к нам боком.

Таким образом, этот рисунок — отличное объяснение, в силу каких причин внутри заряженного проволочного кольца или внутри заряженного проводящего цилиндра, электрическое поле отсутствует.

Что даёт нам это знание?

Сейчас поймёте. Считайте, что это была разминка для ума. Давайте теперь нарисуем в своей голове следующую умозрительную картину:

«В металлах имеется огромное число свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объёму металла (это раз), но не могут без особых причин покинуть пределы металла. Если нет проводника свободных электронов, то покидать металл они могут только при коронном разряде, при фотоэффекте или при сильном нагреве металла (это два). Учёные говорят, что счёт свободных электронов в металлах идёт на миллиарды штук на один кубический миллиметр (это три). При этом свободные электроны пребывают в состоянии вечного дистанцирования друг от друга, так как они обладают зарядами одного знака, а зарядам одного знака свойственно отталкиваться друг от друга (это четыре). В силу всего этого под воздействием разных факторов (воздействие стороннего электрического или магнитного поля на металлическое тело или перенос зарядов с тела на тело) свободным электронам свойственно упорядоченно перераспределяться внутри металлических проводников (это пять), с образованием электрического тока (это шесть), но прежде всего им свойственно перераспределяться на наружной поверхности проводников (электростатический «скин-эффект» — это семь), причём это перераспределение происходит с высокой скоростью, величина которой не может превышать скорость распространения в проводниках электрического поля, которая в свою очередь равна скорости света (это восемь).»

Если мы вдумчиво проанализируем эту нашу умозрительную мозаичную картину, состоящую из 8 «пазлов», то мы поймём, что присутствующие во всех металлах в огромных количествах свободные электроны образуют в заряженных телах этакий «электрический флюид» (о существовании которого впервые была высказана догадка ещё в 18 веке, кстати, Бенджамином Франклиным, лик которого изображён на 100 долларовых банкнотах США). Этот «электрический флюид», мало того, что он обладает высокой текучестью, также обладает некоторой плотностью и внутренним давлением. Вот только в отличие от всех жидкостей или газов, он удерживается под давлением (под электрическим напряжением) не внутри электропроводящих тел, а на их наружной поверхности.

Читайте также:
Приспособления для болгарки своими руками (видео)

Естественной ёмкостью для сбора (накопления) этого вездесущего «электрического флюида» является любая электропроводная поверхность.

В быту мы обычно называем ёмкостью — внутренний объем того или иного сосуда: банки, ведра или канистры, к примеру. Однако, в электротехнике понятие электрическая ёмкость — это характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд на своей поверхности.

Таким образом, мы можем представить себе, что все металлические тела представляют собой для электричества «сосуды, вывернутые наизнанку». Их можно наполнять «электрическим флюидом», имеющим свойства текучей жидкости, но собирается эта «электронная жидкость» на наружной поверхности этих сосудов. И вот это свойство всех электропроводных тел накапливать на своей наружной поверхности электрический заряд, и было названо учёными электрической ёмкостью.

Теперь вдумайтесь. С одной стороны, присутствующие во всех металлах в огромных количествах свободные электроны образуют в заряженных телах этакий «электрический флюид», обладающий высокой текучестью, некоторой плотностью и даже массой (ведь каждый отдельно взятый электрон обладает массой 9,10⋅10⁻³¹ кг), с другой стороны, этот «электрический флюид» накапливается на наружной поверхности электропроводных тел.

Но ведь это же как вода, налитая в блюдце до краёв и имеющая открытую поверхность! А на ней, на открытой поверхности, как мы знаем, могут образовываться волны!

Причём волны, которые образуются на поверхности воды, являются поперечными. Поперечная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Вникаем внимательно. Наш «электрический флюид», когда он накапливается на наружной поверхности электропроводных тел, также имеет открытую поверхность (как и вода в океане или вода, налитая в блюдце). А это значит, что на поверхности заряжаемых и перезаряжаемых электропроводных тел (обладающих естественной электрической ёмкостью) в переходные моменты всегда образуются поперечные волны поверхностной плотности зарядов. Причём, как и все упругие волны, они могут быть бегущими, а в некоторых случаях стоячими.

Справка: «Упругие волны — это распространяющиеся возмущения упругой среды. Среда является упругой, если между её частицами существует взаимодействие — возникают силы упругости, препятствующие её деформации. Возмущение упругой среды — это отклонение частиц среды от положения равновесия».

В нашем случае упругая среда, в которой возникают упругие поперечные волны, — это «электрический флюид», находящийся на поверхности заряженных электропроводных тел и состоящий из миллиардов свободных электронов, между которыми действуют силы взаимного отталкивания (Кулоновские силы).

Причём, как я уже сказал, поперечные волны (равно как и продольные волны) могут быть бегущими, а могут быть стоячими.

Бегущие волны образуются всегда при любом возмущении упругой среды. А вот стоячие волны образуются в особом случае – при наложении друг на друга двух встречных бегущих волн с одинаковой длиной и амплитудой. Этот особый случай наступает, например, когда бегущая волна отражается от преграды и движется в противоположную сторону. Тогда падающая на преграду волна превращается в отражённую волну, движущуюся навстречу падающей волне. Вот когда падающая и отражённая волны встречаются и накладываются друг на друга, тогда и образуется стоячая волна.

Продольные волны, которые возникают в толще упругих сред, тоже могут образовывать стоячие волны, когда имеет место отражение бегущих продольных волн от препятствий или от неоднородностей. Об этом я расскажу чуть позже. Продольные волны электрического поля образуются внутри проводов всякий раз, когда по ним протекает переменный электрический ток.

Итак, если мы будем заряжать и перезаряжать прямолинейный незамкнутый проводник (статическим электричеством, например, как в случае с генератором Ван де Граафа), то на его поверхности будут возникать поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов, а в случае цилиндрической формы проводника – поперечно-радиальные волны поверхностной плотности электрических зарядов. При этом в толще проводника будут возникать продольные волны электрического поля. Причём скорость и тех и других волн равна скорости света.

Интересно, не правда ли?

Так вот, поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов, благодаря тому, что они взаимодействуют с открытым пространством, с внешней средой, и порождают в ней радиоволны, уходящие от передающей антенны прочь всё дальше и дальше в открытое пространство со скоростью 300.000 км/с.

В этом и состоит суть работы на излучение так называемого «открытого колебательного контура», отличающегося от «закрытого колебательного контура» тем, что в последнем поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов образуются в закрытом пространстве (в зазоре между пластинами двухполюсного конденсатора.

Я проштудировал многие учебники физики, излучал электродинамику и в конце концов пришёл к выводу, что такую картину излучения радиоволн радиопередающей антенной ещё никто до сих пор почему-то не рассматривал, хотя российские инженеры точно знают о волнах поверхностной плотности электрических зарядов.

Доказательство тому — книга российского физика И.Мисюченко «Последняя тайна Бога», в которой есть такие мысли: «…Если в одном месте проводящей поверхности тем или иным способом нарушить равновесную плотность носителей заряда, то носители придут в движение, стремясь восстановить утраченное равновесие. Поскольку носители инерционны, то процесс восстановления может носить волновой и даже резонансный характер. По всей видимости, Никола Тесла именно этот способ пытался положить в основу не только глобальной всемирной связи, но и энергетики. Поведение подобных поверхностных волн изучено всё ещё плохо. Следует отметить, что поверхностная волна электронной плотности сопровождается и «обычной» электромагнитной волной, и переменным электрическим полем, и специфическими магнитными полями. Такое обилие сопутствующих процессов препятствует объективному изучению явления. »

Вот оно, оказывается как! «Поведение подобных поверхностных волн изучено всё ещё плохо…» При этом теория излучения радиоволн «вибраторами Герца» или «полуволновыми диполями», считается полностью объяснённой шотландским физиком Д.К.Максвеллом (автором «Электромагнитной теории света») и немецким физиком Г.Герцем (первооткрывателем радиоволн).

Так может, всё-таки, механизм излучения радиоволн таки не раскрыт до конца?!

Трансформатор П-600 на эффекте бегущей волны

ТЕОРИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ТЕСЛА

Контакт с автором verinOG @ list . ru

Интерес к изобретениям Николы Тесла со временем только возрастает. Это связано с тем, что, с одной стороны, его изобретения не теряют своей актуальности, а, с другой стороны, физическая сущность многих из них так и остается загадкой. Особенно “популярен в народе” так называемый трансформатор Тесла, создающий массу впечатляющих и до конца не исследованных эффектов. Даже принцип работы этого устройства до сих пор вызывает незатихающие споры.

Читайте также:
Валентинки своими руками. Видео мастер-классы

Прежде всего, следует заметить, что трансформатор Тесла не является трансформатором в обычном понимании. Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту устройства, теория его работы, разнообразные физические эффекты, воздействие на вещества, на химические реакции и живые организмы требуют по-настоящему серьезного исследования.

Главная “тайна” устройства заключена в его вторичной обмотке.

Почему она должна быть однослойной, а тщательно изолированные витки следует уложить аккуратно и плотно друг к другу в виде спирали? Ведь в “настоящих” трансформаторах обмотки делают в виде “катушек”.

Почему не используются сердечники, как в обычных трансформаторах, а связь вторичной обмотки с первичной не играет столь определяющей роли?

Эти очевидные “странности” уже сами по себе свидетельствуют о неординарности принципа работы устройства, рожденного воображением гениального ученого и изобретателя.

1. Вторичная обмотка как высокочастотный резонатор.

Те, кто знаком с СВЧ техникой, знают об особых свойствах спиральных замедляющих систем, используемых, например, в лампах бегущей волны (ЛБВ). При относительной простоте, они обладают удивительно широкой полосой рабочего диапазона частот. Это связано с тем, что фактически электромагнитная волна сигнала распространяется вдоль проводника спирали со скоростью света c , в результате чего “коэффициент замедления” определяется углом ψ намотки спирали. Волна, обежав один виток спирали вокруг ( 2π R ), продвигается в осевом направлении всего на один шаг намотки s . Этим и определяется так называемая фазовая скорость замедленной волны [1]

(1)

Но, в отличие от ЛБВ, где спиральная замедляющая система согласована с передающими линиями и на входе, и на выходе, вторичная обмотка трансформатора Тесла фактически полностью “рассогласована”. С одной стороны она близка к режиму короткого замыкания, а с другой стороны – к режиму холостого хода. В таких условиях волны в спирали отражаются от обоих концов, в результате чего она приобретает свойства высокочастотного резонатора. При указанных условиях на длине проводника спирали L должно приблизительно укладываться нечетное число четвертьволновых отрезков

(2)

Наличие стоячих волн во вторичной обмотке легко проверяется на практике, например, по изменению искрения отвертки, подносимой к обмотке в разных местах по ее высоте (рис. 1).

На рисунке условно показано распределение напряжения по высоте вторичной катушки трансформатора Тесла для двух резонансных частот.

На этом аналогия с замедляющими системами не заканчивается.

Дело в том, что наличие замедленной волны вдоль оси спирали приводит к возникновению особых свойств электромагнитного поля в других направлениях как внутри катушки, так и с внешней стороны.

Составляющие электромагнитного поля Ex , Ey , Ez , Hx , Hy , Hz должны удовлетворять скалярному уравнению

(3)

Здесь f обозначена одна из составляющих поля.

Решение этого уравнения имеет вид:

(4)

Здесь поперечные постоянные волны, бегущей в осевом направлении z , обозначены через ξ и ζ, а осевая постоянная – через β. Волновой коэффициент k выражается через постоянные по всем трем направлениям известной формулой:

(5)

Так как фазовая скорость по оси спирали v мала в сравнении со скоростью света в пустом пространстве c (β больше, чем k ), то коэффициенты в поперечном направлении ξ и ζ будут равны некоторому мнимому числу j η :

(6)

При подстановке мнимых чисел в тригонометрические функции (в общем решении (4)) происходит их “превращение” в гиперболические функции. С учетом граничных условий оказывается, что поле внутри спирали несколько меньше на оси, чем вблизи провода спирали (“провисает” по направлению к оси).

С внешней же стороны амплитуды полей при удалении от спирали уменьшаются почти по экспоненте. Чем больше частота возбуждаемой в обмотке гармоники, тем сильнее поле “прижимается” к спирали (β и η увеличиваются).

Таким образом, “замедление” волн в обмотке порождает еще один чрезвычайно важный эффект – подавление излучения вторичной обмотки трансформатора и образование не излучаемых стоячих волн вокруг нее. Как следствие, добротность этого высокочастотного резонатора повышается. И чем больше номер гармоники возбуждаемых колебаний, тем больше добротность.

Отметим также, что металлические конструкции в виде тора или шара, помещаемые в верхней части вторичной обмотки, также подавляют излучение в осевом направлении и уменьшают ее резонансные частоты, так как создают дополнительную емкость.

2. Требования к первичной обмотке.

Исходя из резонансных свойств вторичной обмотки трансформатора Тесла, первичная обмотка должна обеспечивать генерацию соответствующих “поддерживаемых” вторичной обмоткой частот. Следовательно, первичный контур должен быть настроен в резонанс с вторичной обмоткой.

Кроме того, в первичном контуре обычно используют разрядники (рис. 2), вследствие чего в цепи возникают импульсы тока, имеющие огромный спектр гармонических составляющих.

Рис. 2. Простейший вариант трансформатора Тесла.

Поэтому во вторичной обмотке помимо основной гармоники может возбуждаться и масса более высокочастотных резонансов, что чрезвычайно расширяет диапазон длин волн, генерируемых трансформатором Тесла. По всей вероятности это один из тех факторов, которые могут оказывать мощное и непредсказуемое воздействие на живые организмы.

Так как вторичная обмотка трансформатора Тесла фактически является четвертьволновым резонатором из отрезка спиральной замедляющей системы и характеризуется высокой резонансной частотой, то для обеспечения соответственно высокой резонансной частоты первичного контура требуется лишь несколько витков. Кроме того, ввиду большой добротности вторичной обмотки как высокочастотного резонатора даже относительно небольшая связь с первичной обмоткой обеспечивает возбуждение в нем больших амплитуд колебаний.

Впрочем, впечатляющие разряды возникают не только и не столько в результате высокого напряжения, сколько из-за огромных частот колебаний, генерируемых устройством. То есть, наблюдаемые разряды не в последнюю очередь можно характеризовать как высокочастотные пробои.

Существуют также варианты трансформатора без разрядников. В этом случае частота первичного контура тоже должна соответствовать резонансной частоте вторичной обмотки. Но диапазон генерируемых частот будет, очевидно, уже, чем при наличии разрядника. Хотя и в этом случае это не одна частота, а широкий диапазон частот, возникающий из-за нелинейности, присущей пробоям воздуха вокруг верхней части вторичной обмотки.

3. Вариант экспериментального образца.

В нашем распоряжении был небольшой трансформатор Тесла (источник питания: 12В, 6Вт), который не давал завораживающих огромных разрядов, но который вполне годился для проведения элементарных экспериментов.

Первичная обмотка была из толстого медного проводника и содержала чуть менее двух витков диаметром около 12 см, что в сочетании с емкостью 0,1 мкФ соответствует резонансной частоте порядка (1 – 2) МГц. Вторичная обмотка устанавливалась своим основанием в центр первичной обмотки и “возвышалась” над ней в виде картонного цилиндра, на котором в один слой плотно намотана изолированная тонкая проволока.

Читайте также:
Видеоархив о Свободной энергии Матрикс

Диаметр вторичной обмотки около 5 см,

длина намотки – приблизительно 8 см,

шаг намотки около ¼ мм.

Таким образом, вторичная обмотка содержала более 300 витков, а общая длина провода – около 50 метров.

Проверка упомянутым выше методом искрения отвертки, подносимой к вторичной обмотке, показала, что на высоте обмотки укладывается четверть волны. Следовательно, длина волны колебаний была около 50м х 4 = 200 м., а частота колебаний соответственно приблизительно 1,5 МГц.

После включения устройства на свободном верхнем конце провода вторичной обмотки возникают разряды (длина искры – несколько миллиметров), а из-за искрения в воздухе появляется запах озона.

Светодиод, соединенный с автономной небольшой катушкой из проволоки, начинает светиться в непосредственной близости от включенного устройства.

Очень странно ведет себя обычный измерительный прибор, который без подключения к каким бы то ни было проводникам и довольно на большом расстоянии от трансформатора Тесла (до 1 м) начинает зашкаливать независимо от того, в каком положении находятся его переключатели. Этот эффект широко известен и вызывает широкие дискуссии (см. также [2, 11]).

4. Какое поле создает трансформатор Тесла?

Ранее уже упоминалось, что многие эффекты, порождаемые трансформатором Тесла, связаны с очень высокими напряжениями и частотами генерируемых волн. Упоминался также и механизм возникновения стоячих не излучаемых волн вокруг устройства, являющийся вместе с тем одной из причин получения высокой добротности вторичной обмотки (как резонатора).

Однако эти особенности не могут объяснить всю совокупность эффектов, сопровождающих работу трансформатора Тесла.

Почему вещества, располагаемые вблизи устройства, могут изменять свои свойства, а скорость химических реакций (например, полимеризация эпоксидной смолы) может существенно возрасти? Механизм воздействия на живые организмы также не сводится только к воздействию высокочастотных полей.

Кроме того, природа “накапливающихся” вокруг трансформатора Тесла стоячих волн, их “расползания” по окружающим предметам и механизм передачи энергии поля по одному проводу (подключенному к вторичной обмотке) также вызывают многочисленные споры. Более того, эксперименты показали, что энергия может быть передана по оборванному проводу или вообще без проводов, а перегоревшие лампы накаливания продолжают светиться [2].

Такое количество “странных” эффектов на фоне кажущегося благополучия в теории электромагнитного поля нельзя назвать случайным.

Почему сложилась такая странная ситуация?

Во-первых, теория электромагнитного поля в последние десятилетия в целом успешно справлялась с практическими задачами, а отдельные “нюансы”, портившие картину, было принято просто не замечать или списывать их на неточности экспериментов.

Во-вторых, факт недостаточности традиционной электродинамики для описания всех электромагнитных явлений, мягко говоря, слишком медленно признается научным сообществом.

В частности, наличие стоячих волн вокруг элементарного антенного вибратора является неоспоримым фактом, но “антенщиков” они, как правило, не интересовали, так как для них важен противоположный процесс – излучение.

Действительно, элементарный вибратор р, наряду с излучающейся частью поля, пропорциональной (1/ r ) [3]

(7)

содержит быстро убывающие, не излучающиеся составляющие:

(8)

Одна из этих составляющих (первый член в квадратной скобке) полностью является продольным полем, а другая (второй член в квадратной скобке) также имеет ненулевую составляющую вдоль направления радиус-вектора.

В отличие от электрического поля, магнитное поле вибратора не имеет таких особенностей и полностью направлено по азимутальной координате, то есть перпендикулярно к направлению распространения. Хотя магнитное поле также содержит быстро убывающую составляющую пропорциональную (1/ r 2 ):

(9)

Кстати, продольные волны вокруг элементарного вибратора не следовало бы относить к “быстро убывающим”, так как зависимость (1/ r 2 ) свойственна базовым взаимодействиям в природе – гравитационному и кулоновскому .

При описании поля элементарного вибратора в литературе даже не акцентируется внимание на том, что эти составляющие, в отличие от излучающейся части поля, должны быть стоячими волнами. То есть, должны учитываться решения не только с множителем e – ikr , но и e ikr , а другими словами, в этих составляющих должны присутствовать и уходящие, и приходящие волны.

Особенно ярко свойства стоячих волн проявляются в больших совокупностях элементарных вибраторов, организованных в виде неизлучающей антенной решетки. Такие неизлучающие системы могут быть образованы не только из “рукотворных” дипольных вибраторов, но и излучателей в виде возбужденных атомов. Оказалось, что такие системы атомов являются своеобразными накопителями энергии и обладают свойством самоорганизации. Эти эффекты более подробно рассмотрены в работах [4, 5, 6].

Более того, стоячие волны существуют вокруг любой элементарной частицы вещества [7 – 10]. Поэтому “особые” стоячие электромагнитные волны, наблюдаемые вокруг трансформатора Тесла, не являются чем-то из ряда вон выходящим. Они присущи не только многим “рукотворным” устройствам, но и весьма широко распространены в природе.

Тем не менее, свойства стоячих продольных волн рассматриваемого высокочастотного диапазона практически не изучены. Закономерности взаимодействия таких волн с различными средами, их влияние на процессы в живой и неживой природе, возможность использования одного проводника для передачи энергии и многое другое остается не исследованным.

Главным препятствием к познанию этих эффектов является отсутствие наглядного теоретического описания стоячих продольных электромагнитных волн. Существующая теория электромагнитного поля не описывает их в полной мере и дает лишь некоторые косвенные подходы к этой проблеме [11].

Значительно более широкая трактовка электродинамики следует из модели вакуума (эфира), применявшейся Максвеллом при создании теории электромагнитного поля [12]. Именно на этом пути, скорее всего, и будет разработана наиболее полная теория электромагнитных явлений.

Устройство и принцип действия ЛБВ типа О

Виды приборов типа ЛБВ

Проведенное рассмотрение основных схем использования приборов типа ЛБВ, по существу, не каса­лось конструкции приборов и способов создания электронного потока.

Все приборы с непрерывным взаимодействием электронного по­тока с высокочастотным полем делятся на две большие группы: 0-типа (обыкновенные) и М-типа (магнетронные).

Приборы 0-типа имеют протяженную вдоль координаты x за­медляющую систему, отдельный катод (электронную пушку) и кол­лектор. Электронный поток взаимодействует с продольной состав­ляющей переменного высокочастотного поля, причем взаимодейст­вие осуществляется при отсутствии постоянного электрического поля.

Замедляющая система в приборах М – типа может быть как про­тяженной вдоль координаты х , так и свернутой в кольцо. В последнем случае ЗС может быть либо разомкнутой, либо замкну­той. Взаимодействие электронного потока с высокочастотным по­лем осуществляется в скрещенных (взаимно перпендикулярных) постоянных электрическом и магнитном полях. По этой причине приборы М-типа часто называют приборами со скрещенными полями.
Электронный поток в этих приборах формируется либо с помощью
автономного като­да, вынесенного из пространства взаимодействия, либо с помощью катода, являющегося частью высокочастотной системы. _

Читайте также:
Полезные самоделки для мастерской своими руками (видео)

Устройство и принцип действия ЛБВ типа О

Устройство и принцип действия. Лампа бегущей волны 0-типа имеет протяженную вдоль координаты х конструкцию и использу­ется по схеме усилителя и по схеме генератора прямой волны. Наиболее широкое применение имеет усили­тельный режим работы ЛБВ. В зависимости от мощности колебаний на выходе ЛБВ различают лампы малой, средней и большой мощнос­ти. На рис.1 показано схематическое устройство ЛБВ средней мощности, а также подключение источников питания к электродам лампы для создания необходимого режима. Электронный луч фор­мируется пушкой, в состав которой входят катод I, управляющий электрод 2, один или несколько анодов 3 и 4, и продольным по­стоянным магнитным полем, создаваемым катушкой электромагни­та 7. Проходя вдоль оси замедляющей системы спирального типа 14, луч попадает на коллектор 9 и замыкает внешнюю цепь ис­точника питания Eк. Ток луча может регулироваться путем изменения напряжений Eу. э и Еа источников питания управляю­щего электрода 2 и анода 3 соответственно. Скорость электронов в пространстве взаимодействия определяется напряжением Е источника питания, включенного между катодом и замедляющей системой, вдоль которой электроны летят без ускорения, по инерции.

Поступающие на вход лампы 5 высокочастотные колебания воз­буждают в начале замедляющей системы электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси ЗС к концу системы. Если скорость электронов несколько больше фазовой скорости бегущей волны, то на протя­жении замедляющей системы будет происходить интенсивное вза­имодействие волны с потоком электронов, в результате которого мощность высокочастотных колебаний увеличится. На выходе лам­пы 8 в этом случае будет получена мощность, во много раз пре­вышающая мощность на входе. Для предотвращения самовозбужде­ния лампы используется поглотитель 12, представляющий собой тонкую пленку с высоким сопротивлением, наносимую либо на внутреннюю поверхность баллона лампы 10, либо на стержни, под­держивающие спираль. Поглотитель предназначен для поглощения обратных и отраженных от конца замедляющей системы волн, одна­ко он в некоторой степени поглощает и прямые волны. Правда, поглощение прямых волн выражено значительно слабее, так как поглотитель не действует на сгруппированные сгустки электро­нов, которые после пролета участка с поглотителем вновь воз­буждают в замедляющей системе примерно такое же поле, что и до поглотителя.

Устройство ЛБВ 0-типа может быть и другим, однако основные элементы конструкции лампы всегда сохраняют­ся. К ним относятся электронная пушка, коллектор, фокусирующая система, замедляющая система, устройство для ввода и вы­вода энергии высокочастотных колебаний.

Электронная пушка может быть и более сложной и менее слож­ной, чем рассмотренная. Более сложная пушка с большим числом электродов используется часто в маломощных (малошумящих) ЛБВ для выравнивания скоростей электронов в электронном луче пе­ред входом его в пространство взаимодействия.

В некоторых ЛБВ управляющий электрод объединяется с като­дом и имеет одинаковый с ним потенциал. Другие ЛБВ могут иметь объединенные по потенциалу второй анод и замедляющую систему (рис.1), иногда замедляющая система по потенциалу объеди­няется с коллектором.

В ЛБВ средней и большой мощности коллектор имеет внешний радиатор, охлаждаемый либо воздухом, либо жидкостью (в частности, водой).

Фокусирующая система, предназначенная для формирования по­тока электронов в тонкий луч и предотвращения оседания их на замедляющей системе, может быть также различной. Электромаг­нит, показанный на рис.1, используется редко, так как он имеет большие недостатки, связанные с его массой, размерами и потреблением энергии.

В современных пакетированных ЛБВ фокусировка электронов осуществляется магнитами, создающими периодическое постоянное поле вдоль оси замедляющей системы. Магнитами служат кольца, изготовленные из самарий – кобальтового сплава, обладающего большой коэрцитивной силой. Кольца одеваются на баллон ЛБВ одноименными полюсами друг к другу. При этом в пространстве взаимодействия создается периодическое постоянное (во време­ни) магнитное поле, фокусирующее электроны.

Для фокусировки электронов могут использоваться также электрические поля, создаваемые обычно путем подачи напряже­ний на дополнительные электроды, вводимые внутрь баллона при­бора. ЛБВ с электростатической фокусировкой отличаются малой массой и малыми размерами (особенно от ламп с электромагнит­ной фокусировкой).

В качестве замедляющей системы в ЛБВ малой и средней мощ­ности используется преимущественно спираль из проволоки круг­лого или прямоугольного сечения с малым удельным сопротивле­нием. В мощных ЛБВ используются неоднородные замедляющие сис­темы с принудительным охлаждением.

Входные и выходные устройства ЛБВ могут быть как волноводного, так и коаксиального типа. В любом случае должно обеспечиваться согласование внешней линии (волновода или коак­сиальной линии) с замедляющей системой. В рассмотренном уст­ройстве ЛБВ (рис. 1) использовано согласование спирали с волноводом с помощью погруженных в волновод штырьков 13 (“антеннок”), которыми заканчивается спираль. Для лучшего согла­сования используются отрезки волновода с короткозамыкающими поршнями 11 и 15 и на концах штырьков спирали СВЧ дроссели б цилиндрической формы. Наибольшей шириной полосы обладает уст­ройство, представляющее собой плавный переход спирали во внут­ренний провод внешней коаксиальной линии.

3. Характеристики, параметры и особенности эксплуатации и применения ЛБВ типа О

ЛБВ 0-типа в подавляющем большинстве слу­чаев используется для усиления колебаний СВЧ в широкой полосе частот. Поэтому важнейшими параметрами ЛБВ являются коэффици­ент усиления и полоса частот усиливаемых колебаний.

Коэффициент усиления ЛБВ определяется отношением мощностей на входе и выходе лампы, выраженным в децибелах:

Современные ЛБВ 0-типа имеют коэффициент усиления 25-60 дБ.

Полоса частот усиливаемых колебаний может вдвое и даже вчетверо превышать наименьшую частоту колебаний, что соответ­ствует 30 – 60% от средней частоты диапазона в обе стороны. Полоса частот усиливаемых колебаний Δf определяется амплитудно-частотной характеристикой (рис.2) и ограничивается в ос­новном входными и выходными согласующими устройствами.

Мощность на выходе ЛБВ при изменении ускоряющего напряже­ния U на фиксированной частоте имеет максимум при соблюде­нии условия синхронизма vQ>vфк (рис.3).

Зависимость мощ­ности на выходе ЛБВ от ускоряющего напряжения часто называют характеристикой синхронизма

Максимум выходной мощности при изменении ускоряющего на­пряжения соответствует такой оптимальной

скорости электронов, при которой сгустки в процессе движения длительное время вза­имодействуют с максимальным тормозящим полем бегущей волны. Уменьшение мощности при уменьшении напряжения вызвано тем, что сгустки, имеющие скорость, меньшую оптимальной, тормозятся не максимальным полем. Максимальное значение поля бегущей вол­ны из-за этого также оказывается меньше, чем в случае опти­мальной скорости электронов. В результате эффективность вза­имодействия электронов и волны уменьшается. Уменьшение мощ­ности при увеличении напряжения можно объяснить тем, что при больших скоростях электронных сгустков к концу ЗС часть каж­дого сгустка попадает в ускоряющий полупериод поля бегущей волны и отбирает от неё энергию.

Читайте также:
7 интересных приспособлений для строительства (видео)

Изменение режима работы лампы (изменение тока луча, вход­ной мощности и др.) вызывает смещение и деформацию характе­ристики синхронизма, так что оптимальное значение напряжения спирали U0 ОПТ и ширина полосы синхронизма ΔU (рис.3) изменяются в некоторых пределах. Типовые значения ΔU составляют несколько процентов напряжения U0 ОПТ.

Зависимость выходной мощности ЛБВ от входной (амплитудная характеристика) показана на рис.4. Обычно ЛБВ работает в режи­ме, когда мощность на выходе лампы растет пропорционально мощности на входе, т.е. при ­ постоянном коэффициенте усиления. Однако в ряде случаев ЛБВ исполь­зуется в режиме максимальной мощ­ности на выходе, т.е. в режиме насыщения, при котором коэффици­ент усиления уменьшается.

Умень­шение коэффициента усиления объ­ясняется ухудшением условий группирования электронов при увеличении мощности на входе ЛБВ. Сгруппированные сгустки электронов при этом из-за большой ам­плитуды переменного входного на

пряжения начинают разгруппиро­вываться к выходу замедляющей системы, поэтому рост мощности на выходе замедляется, а затем прекращается и мощность начи­нает даже уменьшаться. При очень большой мощности на входе мощность на выходе может упасть настолько, что коэффициент усиления окажется меньше единицы, затем снова начнется рост мощности, но уже при очень малых коэффициентах усиления (штри­ховая линия на рис.16.20). Последний режим называют режимом глубокого насыщения.

Мощность на выходе ЛБВ с замедляющей системой типа “спи­раль” обычно не превышает 100 Вт. Это связано в основном с трудностями обеспечения хорошего теплоотвода от спирали. ЛБВ с неоднородными замедляющими системами позволяют получить мощ­ность порядка нескольких киловатт в непрерывном и нескольких мегаватт в импульсном режиме.

КПД ЛБВ 0-типа, как правило, не превышает 30% для мощных ЛБВ и 20% для ЛБВ средней мощности. Относительно небольшой КПД объясняется главным образом двумя причинами. Во-первых, в ЛБВ 0-типа, как и в клистронах, плотность сгустков электронного потока не может быть слишком большой из-за влияния растал­кивающих сил пространственного заряда. Во-вторых, передача эне ргии волне происходит лишь при малой разности скоростей электро­нов и бегущей волны, а большое количество кинетической энергии электронов, обусловленное значительным ускоряющим напряжением, выделяется на коллекторе лампы в виде тепла.

Увеличение КПД может быть получено путем рекуперации – снижения потенциа­ла коллектора относительно потенциала ЗС. В режиме рекуперации вылетевшие из ЗС электроны тормозятся в пространстве между ЗС и коллектором и отдают энергию источнику постоянного тока.

Важными характеристиками ЛБВ являются ее фазовые характе­ристики, которые представляют собой зависимость разности фаз колебаний на выходе ЛБВ и ее входе от различных факторов: час­тоты, напряжений электродов, тока луча и др. Зависимость раз­ности фаз колебаний от частоты близка к линейной. Наибольший интерес представляет зависимость изменения разности фаз Δφ колебаний на входе и выходе ЛБВ от ускоряющего напряжения. Это изменение разности фаз получается вследствие “захвата” электро­нами волны, в результате которого фазовая скорость ее изменяет­ся. На рис.5 показан примерный вид такой фазовой характе­ристики.

Крутизна фазовой характеристи­ки ЛБВ по ускоряющему напряжению, измеряемая в градусах на вольт, может быть вычислена по приближенной формуле

где N – число длин волн вдоль оси ЗС; Uо опт – оптимальное напряжение ЗС в вольтах.

Для ЛБВ со спиралью крутизна S имеет величину порядка десятых долей и единиц градусов на вольт. Отсюда выте­кает требование стабилизации ускоряющего напряжения, если ЛБВ используется для усиления сигналов, фаза которых не должна из­меняться.

Другие факторы, отмечавшиеся ранее, оказывают значительно меньшее влияние на фазовый сдвиг между входными и выходными колебаниями.

ЛБВ малой мощности, используемые в приемниках СВЧ для уси­ления сигналов, называют малошумящими, так как основным требованием , предъявляемым к ним, является малый коэффициент шума, характеризующий, как известно, степень уменьшения отношения сигнал/шум в результате усиления сигнала в ЛБВ.

Современные маломощные ЛБВ имеют коэффициент шума в преде­лах 4 – 12 дБ. Некоторые специальные лампы позволяют получить в небольшой полосе частот значительно меньший коэффициент шума, например, около 1,5 дБ на длине волны λ = 10 см.

Шумы в ЛБВ, как и в обычных электронно-управляемых лампах, определяются дробовым эффектом, токораспределением между элект­родами, влиянием пространственного заряда, наличием у электро­нов радиальных скоростей и др. Существенную роль в шумах ЛБВ играет неодинаковость начальных скоростей электронов. По этой причине некоторые малошумящие лампы конструируются так, что их электронная пушка включает в себя ряд анодов, предназна­ченных для выравнивания скоростей электронов. Кроме того, при­нимаются меры для улучшения фокусировки луча. Тепловые шумы снижают путем использования катодов с термоэлектронной эмиссией при относительно низких температурах.

ЛБВ 0-типа используются не только для усиления сигналов. В ряде случаев они с успехом применяются для преобразования и умножения частоты, генерирования сверхкоротких (наносекундных) импульсов, перестройки частоты, в качестве электронных фазо­вращателей и т.п.

Гибридные приборы. Основной недостаток пролетных клистро­нов – малая ширина полосы частот и недостаток ЛБВ – малый КПД – преодолеваются различными способами. Один из возможных спосо­бов расширения полосы частот состоит в комбинированном исполь­зовании свойств ЛБВ и клистронов путем применения в последних вместо резонаторов замедляющих систем, обычно короткозамкнутых на обоих концах. Преимуществами таких гибридных приборов, на­зываемых клистронами с распределенным взаимодействием (КРВ), являются большие значения ширины полосы пропускания и КПД при высоком коэффициенте усиления и большой выходной мощности.

В гибридных приборах, называемых твистронами, электронный луч вначале проходит ряд резонаторов, а затем уже достаточно сгруппированный поток попадает в замедляющую систему типа “клеверный лист”, выполненную в виде согласованной нагрузки. Твистроны позволяют получить ширину полосы пропускания до 15% от рабочей частоты при коэффициенте усиления 50 дБ, КПД 50% и выходной мощности, превышающей 10МВт в импульсе. Указанные значения параметров не являются предельными. Дальнейшая работа по со­вершенствованию приборов этого типа безусловно расширит облас­ти применения таких усилителей, тем более что у клистронов с распределенным взаимодействием и твистронов, как правило, на­пряжения электродов значительно ниже, чем у обычных клистронов.

Расширение полосы пропускания может быть достигнуто также путем применения многолучевых КРВ. Использование нескольких лучей в одном приборе позволяет наряду с расширением полосы частот усиливаемых колебаний при достаточно большой их мощнос­ти снизить напряжение, ускоряющее электроны, за счет уменьше­ния тока каждого луча в отдельности.

Читайте также:
Изготовление трафарета своими руками. Видео

Многолучевые КРВ при относительно низком анодном напряже­нии (менее 100 кВ) имеют ширину полосы частот и выходную мощ­ность такого же порядка, как и твистроны. Правда, они пока ус­тупают твистронам по КПД и коэффициенту усиления.

КРВ и твистроны оказались весьма перспективными в миллимет­ровом диапазоне волн.

Общие сведение о работе усилителей бегущей волны в стационарном режиме

Введение

В настоящее время большое внимание уделяется внедрению различных информационных технологий в образовательный процесс. Математические модели и современные методы вычислительной математики позволяют максимально приблизить вычислительные эксперименты к реальным. Это позволяет, не проводя дорогостоящих физических экспериментов, предсказывать различные физические явления. В данном пособии представлены лабораторные работы, где используется компьютерный эксперимент. В ряде случаев удается существенно упростить физическую и математическую модели. В этом случае при проведении практических (или лабораторных) занятий студентам предлагается самостоятельно реализовать предложенную модель в системе MathCad. Но не всегда удается существенно упростить модель, тогда самостоятельное написание и отладка кода студентами займет слишком много времени, и не получится провести лабораторную работу в пределах двух академических часов (одной пары). Для этих лабораторных работ был создан пакет в среде Matlab. Дружественный интерфейс позволяет студентам полностью сосредоточиться на изучении физических процессов, не занимаясь написанием и отладкой кода.

Необходимо отметить, что виртуальные лабораторные работы должны дополнять, а не заменять работу на реальном оборудовании.Во-первых, при выполнении виртуальных лабораторных работ не развиваются навыки проведения эксперимента. Если заменить все реальные лабораторные работы виртуальными, то на выходе мы получим специалиста, который не может работать с реальными объектами. Во-вторых, реальные лабораторные работы выполняются бригадами по 2-3 человека, формируя у студентов умение работать в коллективе. Виртуальные же лабораторные работы выполняются индивидуально, и такого навыка на формируют. Поэтому полное замещение реальных лабораторных работ виртуальными недопустима. Тем не менее, компьютерный эксперимент часто является совершенно необходимым дополнением натурного эксперимента. Например, если речь идет о процессах, протекающих в нанометрических объемах и в очень короткие сроки (нано-, пико- и фемтосекунды).

Материалы к лабораторной работе «Моделирование усилителя бегущей волны в стационарном режиме»

1. Цель работы –моделирование усилителя бегущей волны в стационарном режиме

Общие сведение о работе усилителей бегущей волны в стационарном режиме

Основные сведения об оптическом квантовом усилителе бегущей волны

Квантовые усилители служат для того, чтобы увеличить напряженность поля электромагнитной волны, поступающей на их вход. В квантовом усилителе электромагнитные колебания усиливаются при взаимодействии с квантовой системой частиц (атомов, молекул, ионов) за счёт вынужденного излучения [1]. Если число актов вынужденного излучения, вызванного падающей волной, превышает число актов вынужденного поглощения, то среда усиливает эту волну. Для этого в среде должно быть достигнуто состояние инверсной заселенности. Инверсная заселенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором число частиц (атомов, молекул), находящихся на верхних энергетических уровнях, т. е. в возбужденном состоянии, больше, чем число частиц, находящихся на нижних энергетических уровнях. Основная проблема создания квантовых усилителей – получение состояния рабочего вещества с инверсией населенностей. В настоящее время предложено и осуществлено очень много способов создания инверсии населенностей в различных веществах, находящихся в твердом, жидком и газообразном состоянии, и на их основе осуществлены разнообразные квантовые усилители, работающие в широком диапазоне волн. Квантовые усилители можно разделить на два класса, различающихся главным образом диапазоном частот, а следовательно, и типами активных сред и также областями применения, – это квантовые усилители СВЧ-диапазона и усилители оптического диапазона. В данной работе исследуется квантовый усилитель оптического диапазона.

Оптический квантовый усилитель (ОКУ) представляет собой устройство, позволяющее усиливать когерентное излучение оптического диапазона. Возможны два режима работы ОКУ: бегущей волны (без обратной связи) и регенеративный (с положительной обратной связью, создаваемой с помощью открытых резонаторов). В данной работе исследуется ОКУ бегущей волны

Пусть плоская волна падает на лазерный усилитель длиной l вдоль оси z.

Уравнение переноса излучения в активной среде записывается в виде

где I(z,t) – интенсивность излучения; t – время, z – координата, вдоль которой распространяется излучение; b – коэффициент нерезонансных потерь; a(I) – зависящий от интенсивности коэффициент усиления.

В стационарном случае интенсивность не меняется со временем и первый член в уравнении переноса будет равен нулю. Тогда уравнение переноса принимает вид

где Здесь a0 – линейный коэффициент усиления (коэффициент усиления слабого сигнала), Is – интенсивность насыщения ) .

Под интенсивностью насыщения понимают интенсивность, при которой коэффициент усиления падает в два раза по сравнению с линейным. Действительно, при I = Is коэффициент a(I) =a0/2.

Таким образом, уравнение переноса можно записать как

Проанализируем это выражение. Рассмотрим три случая для различных диапазонов интенсивностей:

В этом случае I/Is >> 1. Тогда 1+ I/Is

При значительных входных сигналах рост выходной энергии замедляется и, начиная с некоторой интенсивности, вообще прекращается. Стационарное значение интенсивности излучения достигается, когда все, что может излучить единичный отрезок длины активного вещества в режиме полного насыщения, поглощается за счет нерезонансных потерь в том же отрезке. Этот баланс поглощенной и излученной энергий приводит к исчезновению дальнейшего усиления по мере распространения вдоль усилителя. Если интенсивность достигает предельного значения Iпред, то это значит, что дальнейшего усиления нет и dI/dz = 0. Тогда можем записать:

Отсюда получаем, что . Таким образом, в усилителе бегущей волны предельная выходная интенсивность определяется а конечном счете интенсивностью насыщения, коэффициентом линейного усиления и коэффициентом нерезонансных потерь.

Проинтегрировав уравнение переноса по длине l, получим:

(3)

Это уравнение в общем виде не имеет аналитического решения и решается только численно.

3. Моделирование распределения интенсивности вдоль оси распространения излучения в среде MathCad.

При интенсивностях, сравнимых с интенсивностью насыщения, задача может быть решена только численно. Для этой цели можно численно решать дифференциальное уравнение (2) или алгебраиуравнение (3). Мы будем решать дифференциальное уравнение (2).

Введем безразмерную переменную P=I/IS . Тогда уравнение (2) можно переписать в виде

Уравнение (4) является однородным дифференциальным уравнением (ОДУ) первого порядка. Для нахождения распределения величины I вдоль оси распространения необходимо решить уравнение (4) с заданными начальными условиями, т.е. решить задачу Коши. Начальные условия в данном случае – это значение I на входе в усилитель. Маткад имеет ряд встроенных функций, предназначенных для решения ОДУ. Каждая из этих функций предназначена для численного решения дифференциального уравнения. В результате решения получается матрица, содержащая значения функции, вычисленные на некотором множестве точек (на некоторой сетке значений). Для каждого алгоритма, который используется при решении дифференциальных уравнений, Маткад имеет различные встроенные функции.. Ниже будет описано, как решить ОДУ, используя функцию rkfixed.

Читайте также:
Как бесполезную пластиковую бутылку превратить в суперпрочную верёвку (видео)

: Функция rkfixed(y,x1,x2,n,F) возвращает матрицу решений методом Рунге-Кутта системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка с начальными условиями в векторе у. Правые части системы должны быть записаны в символьном векторе F, решение на интервале от x1 до х2 находится за фиксированное число шагов n.

Ниже приведен пример решения ОДУ первого порядка в среде Маткад с помощью встроенной функции rkfixed

Харченко – первооткрыватель продольных радиоволн

“. Конец 1979-го. Оформились представления по новой однопроводной антенне бегущей волны. В её конструктивную основу была положена хорошо известная практикам и особо любимая теоретиками «старая» антенна Бевереджа, маркируемая у нас с легкой руки Г. З.Айзенберга как ОБ-«однопроводная бегущей».

К.П.Харченко: “Свою антенну я обозначил как ОБ-Е.

Добавление литеры Е отличало «новую» антенну от «старой» и показывало, что на её проводнике наряду с бегущей волной (электронов) присутствует ещё одна волна. Волна, похожая по структуре на волну в круглом волноводе, если смотреть в торец проводника.

Сейчас эту «дополнительную» волну именуют «продольной», а в те далекие времена такой термин не был модным. Сопоставительные испытания ОБ с ОБ-Е показали сказочные результаты. Так, например, взятый по возможному максимуму коэффициент усиления (КУ) «новой» антенны превышал КУ «старой» в 40 раз (!) при одинаковых длинах и диаметрах проводников с бегущей волной обеих антенн, размещенных над одной и той же «землей». У коллег немедленно возник жёсткий вопрос: «откуда и почему?» И также немедленно приговор: «этого не может быть, так как уравнения Максвелла – Герца разницы между ОБ и ОБ-Е «не видят»!

31 мая 1985-го на заседании секции № 2 УС части, где я работал, (протокол № 5), были публично доложены результаты трёхлетних изысканий по антенне ОБ-Е. Результаты были экстраординарными: очень большой КУ (коэффициент усиления); скорость распространения колебаний V>C, где С – скорость света в вакууме; наличие самофокусировки; «парадокс тока» и ещё многое другое. “

В своей лекции «Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение к методам искусственного освещения» в колледже Колумбия, Нью Йорк, 20 мая 1891 года, Никола Тесла говорил о природе электричества, памятуя, что на тот момент (до открытия электронов в 1897 году Дж.Дж.Томсоном) электричество считалось чем-то вроде сверхтекучей жидкости, причём жидкости двух родов. Один род электрической жидкости, как многие были уверены, создавал положительное электричество, другой — отрицательное электричество. Кроме того, весь мир признавал авторитетное мнение американского учёного Бенджамина Франклина (1706-1790), заявившего однажды: “Электричество — это особая форма материи, состоящая из частиц, размеры которых меньше размеров частиц обыкновенного вещества”.

В этой связи Тесла сказал: «Я должен признаться, что не могу поверить в два электричества и ещё меньше я верю в существование «двойного» эфира. Загадочность поведения эфира, когда он ведёт себя как твёрдое тело по отношению к волнам света и тепла, и как жидкость по отношению к движению тел сквозь него, конечно, наиболее понятно и удовлетворительно объясняется, по предложению сэра Уильяма Томсона, тем, что он, эфир, находится в движении. Тем не менее, невзирая на это, не существует оснований, которые позволили бы нам уверенно заключить, что хотя жидкость не может передавать поперечные вибрации в нескольких сот или тысяч раз в секунду, она не сможет передавать подобные вибрации, если они будут в диапазоне сотен миллионов колебаний в секунду. Также никто не может доказать, что существуют поперечные волны эфира, испускаемые машиной переменного тока, дающей небольшое количество изменений направления тока в секунду. Для таких медленных вибраций, эфир, если он находился в состоянии покоя, может вести себя как истинная жидкость. Возвращаясь к нашему предмету, и не забывая о том, что существование двух электричеств, по меньшей мере, крайне маловероятно, мы должны помнить о том, что у нас вообще нет никаких доказательств существования электричества, и мы не можем надеяться получить их, если в рассмотрении нет «грубой материи». Таким образом, электричество не может быть названо эфиром в широком смысле этого понятия, однако, ничто не может воспрепятствовать тому, чтобы назвать электричество эфиром, соединенным с материей, или связанным эфиром. Говоря другими словами, так называемый статический заряд молекулы! – это эфир, определённым образом соединённый с молекулой… Вращение молекул и их эфира вызывает напряжения эфира или электростатические деформации, уравнивание напряжений эфира вызывает движения эфира или электрические токи, а орбитальные движения молекул производят действия электромагнетизма и постоянного магнетизма».

Итак, Тесла не разделял материю и эфир, полагая эти понятия взаимосвязанными. В этом мы находим аналогии со взглядами Фарадея. В письме «Размышления об электрической проводимости о природе материи» Ричарду Тэйлору, эсквайру, Королевский институт, 25 июня 1844 г., Фарадей пишет о том, что материя везде является непрерывной: «материя присутствует везде, нет промежуточного пространства, не занятого ею… Значит, материя будет повсюду непрерывной и, рассматривая её массу, нам не надо предполагать различия между её атомами и каким-то промежуточным пространством. Силы вокруг центров сообщают этим центрам свойства атомов материи».

Эти важные аналогии взглядов Фарадея и Тесла на природу материи, электричества и эфира, помогут нам понять принцип действия ОБ-Е антенны Харченко.

И ещё один любопытный момент. В своём патенте № 787,412 «Искусство передачи энергии через естественные среды» (от 18 апреля 1905 года) Тесла отметил, что в его эксперименте средняя скорость продольных волн электрической природы, вызывающих над поверхностью Земли эффект стоячих волн, составляла 471240 км/сек! То есть, V превышало C почти в полтора раза!
Образное представление стоячей волны.

Вот теперь, обладая таким набором исходных знаний, давайте вернёмся сначала к однопроводной антенне бегущей волны Г.Бевереджа, а потом к ОБ-Е антенне К.П.Харченко.

ОБ антенна Бевереджа.

Читайте также:
Полезные самодельные приспособления для обработки древисины своими руками (видеоподборка)

Согласно Уолтеру К., большому авторитету на Западе в области теории подобных антенн, “бегущие волны подразделяются на:

а) вытекающие и б) поверхностные.

Вытекающая волна — это такая бегущая волна, энергия которой вдоль структуры без потерь непрерывно уменьшается за счёт излучения, а вдоль структуры с потерями непрерывно уменьшается и за счёт потерь в структуре, и за счёт излучения.

Поверхностная волна — это такая волна, которая распространяется вдоль структуры без излучения.

Учитывая необходимость использования резистора нагрузки для получения вытекающей волны и большие потери в подстилающей поверхности, особенно на низких частотах, доля излучённой энергии у антенны бегущей волны небольшая. При этом максимум диаграммы направленности в азимутальной плоскости совпадает с осью вибратора. “

Запомните! Резистор нагрузки нужен в конце антенны ОБ для получения “вытекающей волны”!

Теперь смотрите, что сделал К.П.Харченко, который сам говорит, что он модернизировал ОБ антенну Бевереджа и получил качественно другую антенну ОБ-Е, которая более чем на порядок по КПД и коэффициенту усиления превосходит антенну ОБ. Причём уже ясно, что все эти преимущества в ОБ-Е антенне возникли исключительно из-за того, что фазовая скорость движения электронов вдоль проводника в бегущей волне стала сверхсветовой и численно равна 1,05-1,1 от скорости света. А в антенне ОБ Бевереджа эта скорость движения электронов досветовая и численно равна 0,82-0,88 от скорости света.

Собственно, всё выше написанное — правда. Всё преимущество антенны ОБ-Е перед антенной ОБ только в том, что фазовая скорость движения электронов вдоль провода 3 сверхсветовая. Другой вопрос, за счёт чего это достигнуто? Каков физический процесс? И почему он не укладывается в современную теорию радиоволн?

На практике Константин Петрович Харченко просто добавил в конструкцию ОБ-антенны дополнительные провода 1 и 5, длина которых взята из расчёта 1/4 длины наибольшей волны, на которой должна работать эта антенна. И это дало феноменальный прирост КПД антенны!

А почему возник столь положительный эффект, для всех осталось загадкой! Потому что физика явления не ясна! А не ясна она потому, что все современные учёные пребывают в иллюзии, что радиоволны — это некие “электромагнитные колебания”, способные распространяться даже в полной пустоте, без наличия среды, за счёт того, что якобы вихревое магнитное поле рождает вихревое электрическое поле, а вихревое электрическое поле потом опять рождает вихревое магнитное поле, и так до бесконечности. Об этом уже почти 100 лет во всех ВУЗах талдычат!
Фантазия физиков-теоретиков, не имеющая ничего общего с реальностью.

И это несмотря на то, что учёный Римилий Фёдорович Авраменко (1932-1999), советский конструктор вооружений, доктор технических наук и профессор однажды обнаружил в ходе экспериментов, что «никакого индукционного электрического поля в вакууме нет!»

Поскольку я однажды разгадал загадку работы антенны ОБ-Е, которую до конца не разгадал даже сам автор, то я хочу подвести к пониманию её секрета и других людей.

Какими идеями руководствовался К.П.Харченко, когда преобразовывал ОБ антенную Бевереджа?

Мне видится, что он взял ОБ антенну Бевереджа и совместил её с антенной типа “полуволновой диполь Герца”, который состоит из двух проводников, каждый из которых имеет длину, равную 1/4 волны.

Но, как Харченко сделал это совмещение?!

Он мысленно взял два полуволновых диполя Герца, разместил их соосно друг другу и между ними разместил длинный провод Бевереджа, в котором создаётся бегущая волна электрического тока. Собрав такую конструкцию, один полуволновой диполь Герца он запитал от СВЧ-генератора (передатчика), а второй диполь Герца Харченко нагрузил мощным резистором, способным рассеивать ту часть мощности бегущего СВЧ-тока, которая не успевает преобразоваться в энергию радиоволны. И ву-а-ля, антенна ОБ-Е с её фантастическими свойствами получилась!

Ну а в чём фокус то? Далее самое интересное!

Во-первых, обратите внимание, “диполи Герца” порождают волны в плоскости, перпендикулярной стержням вибратора! В направлении стержней “диполь Герца” радиоволны не излучает!

Во-вторых, обратите внимание на то, что в антенне бегущей волны радиоволны рождаются и распространяются в направлении провода, как если бы провод был стволом пулемёта, а “кванты” радиоволны были бы последовательно выстреливаемыми пулями.

К.П.Харченко, изучив свойства антенны ОБ-Е, написал, “на её проводнике наряду с бегущей волной (электронов) присутствует ещё одна волна, похожая по структуре на волну в круглом волноводе, если смотреть в торец проводника”. Эту волну, в силу её очевидных свойств, он охарактеризовал как продольную.

С точки зрения современной физики, открытие этой волны в ходе исследования работы передающей антенны ОБ-Е — это действительно пионерское открытие.

С другой стороны, мы уже знаем о том, что более 100 лет назад Никола Тесла утверждал, что поперечные волны Герца, как он их описал в теории — это миф! На самом деле антенна передатчика «производит звуковые волны в эфире, поведение которых похоже на поведение звуковых волн в воздухе, за исключением того, что огромная упругость и крайне малая плотность данной среды делает их скорость равной скорости света».

Как бы мы ни относились сейчас к словам Теслы, антенны бегущей волны ОБ и ОБ-Е своей работой однозначно свидетельствуют о том, что движущиеся по проводнику электроны могут порождать не только вихревое магнитное поле вокруг проводника, но и радиоволны, распространяющиеся вдоль оси проводника, по пути следования электронов, т.е. продольные волны. А это НОВОЕ для современной науки ЯВЛЕНИЕ! И пусть оно на самом деле хорошо забытое старое, но раз слова Николы Теслы не были включены в парадигму современной науки из-за увлечённости кураторов физики “Электромагнитной теорией” Максвелла, то русского инженера и учёного Константина Петровича Харченко мы должны признать первооткрывателем продольных радиоволн!

Во второй части этой статьи, которую я напишу завтра или на днях, я хочу рассказать о “нюансах”, раскрывающих “лицо радиоволны” и тот секрет, почему в антенне ОБ-Е Харченко волна тока действительно движется вдоль провода на 5-10% быстрее скорости света.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: