Уткин Владимир. Секреты Николы Тесла. Использование реактивной мощности

СЕКРЕТЫ НИКОЛЫ ТЕСЛА

0x01 graphic

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ. СХЕМЫ. НАСТРОЙКА.

СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА

(Все основные идеи данной статьи изложены в работе "Теоретические основы теслатехники" http://samlib.ru/editors/u/utkin_w_m/teslatech.shtml написанной мной для Патрика Келли в 2011 году на английском языке и переведенной затем на русский)

Владимир Уткин [email protected]

ВВЕДЕНИЕ

В статье речь пойдёт об электрических цепях, состоящих из катушек L и конденсаторов C. В которых энергия периодически переходит из потенциальной (в конденсаторе) в кинетическую (в катушке), и наоборот. И связанным с этим понятием реактивной мощности, когда ток и напряжение в цепи сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов - Рис. 1.

0x01 graphic

Рис.1. Одиночный электрический колебательный контур без потерь, состоящий из идеальной катушки L и конденсатора C.

Если в такой цепи нет потерь (идеальный случай), то колебания будут проходить неограниченно во времени на частоте f₀

Если в цепи есть потери, то колебания быстро затухнут, в соответствии с коэффициентом затухания -

, зависящего от потерь.

0x01 graphic

Рис.2. Колебания в контуре с потерями быстро затухают.

Для поддержания колебаний в этом случае потребуется внешний источник сигнала, за счёт которого потери и будут компенсироваться.

Откуда становится понятно, что попытки использования реактивной мощности (внесение потерь) неизбежно приведут к возрастанию потребления энергии от источника. То есть, в конечном итоге будет потребляться энергия источника, а не реактивная мощность.

Тем не менее, ставится задача использования реактивной мощности для получения активной мощности в нагрузке. Что наводит на мысль о том, что реактивная мощность не должна попадать в нагрузку, так как это неизбежно разрушит колебательный процесс. Но, какая тогда энергия может оказаться в нагрузке, если не реактивная? Некоторые намёки оставил Никола Тесла.

Описывается принцип использования реактивной мощности для получения активной мощности в нагрузке, названный Николой Тесла: "Я не отпускаю энергию далеко...". И связанный с ним подход на основе обратной связи по электромагнитному полю.

Реализация подхода основана на двух связанных колебательных контурах на основе обычного трансформатора, либо ноль - трансформатора, либо автотрансформатора. То есть, используется не один, а два колебательных контура. При этом, обмотки трансформаторов (автотрансформаторов) используются в качестве индуктивностей контуров.

Что такое ноль - трансформатор и что такое связанные колебательные контуры будет рассмотрено далее.

Никакие "собственные теории" при написании статьи не используются. То есть, только то, чему учат в школе и ВУЗе: классический электромагнетизм. Поскольку сама постановка задачи является не тривиальной, в конце статьи приводятся простейшие практические опыты. В том числе, простейшие опыты с питанием нагрузки на основе использования реактивной мощности - Рис.3.

0x01 graphic

Рис.3. Питание нагрузки на основе использования реактивной мощности.

При этом, сама реактивная мощность в нагрузку не поступает. В нагрузку поступает энергия, определяемая взаимодействием полей в устройстве. Реактивная мощность используется только для получения желаемого отклика внутри устройства.

Таким образом, утверждение из классической физики о том, что реактивную мощность нельзя использовать, поскольку это приведёт к разрушению колебательного процесса, является полностью справедливым.

Далее рассмотрим, что такое связанные колебательные контуры.

ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ

Если взять две катушки с подключенными к ним конденсаторами, настроенные на одну резонансную частоту, и поднести их друг к другу, по получим индуктивно связанные резонансные контуры. Такая конструкция хорошо известна и широко используется в радиотехнике для целей фильтрации сигналов. Теория связанных контуров также хорошо разработана и её описание можно легко найти в Сети.

Из теории связанных колебательных контуров известно, что они имеют резонанс на двух частотах

. Которые зависят от частоты резонанса

без их взаимной связи и коэффициента взаимной связи K. При условии, что

для обоих контуров совпадают:

Откуда следует, что при увеличении коэффициента связи K резонансная частота

стремится к бесконечности. Что нам пригодится в дальнейшем.

Но, пока нас более интересует известный факт, что фазы колебаний первичного и вторичного контуров совпадают для частоты

и противоположны для частоты

То есть, если связанные контуры возбуждать на частоте резонанса

, то на вторичной катушке появится напряжение противоположное по знаку напряжению первичной катушки - Рис.5. и Рис.6.

0x01 graphic

Рис.5. Фазовые соотношения для частот резонанса

0x08 graphic
0x01 graphic

Рис.6. Фазовые соотношения и резонансные кривые индуктивно связанных контуров в зависимости от коэффициента связи.

Фактически вторая катушка по отношению к первой катушке вырабатывает противо ЭДС на частоте резонанса

, которая зависит от первоначальных настроек.

РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ
и
.

Следует сказать, что настраивать первичную и вторичную катушки на одну и ту же первоначальную частоту

совсем не обязательно (что иногда делается в учебниках). Резонансы всё равно будут наблюдаться, но только при других значениях частот

, и других сдвигах фазы. Чем мы и будем пользоваться при дальнейших рассуждениях.

АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ

Такое название весьма условное, но оно будет использовано для краткости описания. В основе таких устройств лежат связанные резонансные контуры, подключённые по автотрансформаторной схеме - Рис. 6.1

0x01 graphic

Рис.6.1 Использование реактивной мощности по автотрансформаторной схеме, слева - для частоты

, справа - для частоты

Их особенностью является то, что вторичная катушка имеет в два раза больше витков чем первичная при тех же габаритах. И как следствие в четыре раза большую индуктивность. При этом, первичная и вторичная катушки должны быть настроены на одну и ту же частоту. Для чего ёмкость первичного контура в четыре раза больше ёмкости вторичного контура.

Для частоты

вторичная катушка мотается встречно по отношению к первичной. Для частоты

вторичная катушка мотается в том же направлении, что и первичная.

Смысл таких схем в том, что при нулевом сопротивлении нагрузки (коротком замыкании) получаем два контура соединённых параллельно и настроенных на одну частоту. То есть, результирующая резонансная частота должна оставаться неизменной.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ

НОЛЬ - ТРАНСФОРМАТОР

В основе устройств по использованию реактивной мощности может лежать так называемый "ноль - трансформатор", состоящий из первичной катушки L₁ и вторичной катушки, состоящей из двух равных половинок, намотанных встречно: L₂ и L₃. Поэтому на выходе такого трансформатора всегда нулевое напряжение, отсюда и его название. Использовать такой трансформатор в классической электротехнике бессмысленно. Но, именно с такого трансформатора мы начнём объяснение принципов использования реактивной мощности.

Внешне такие трансформаторы могут выглядеть по-разному. Но, для объяснения принципов использования реактивной мощности удобно выбрать вариант с длинной вторичной катушкой в середине которой находится короткая первичная катушка L₁ - Рис.7.

0x01 graphic

Рис.7. Ноль - трансформатор на основе длинной вторичной катушки и короткой первичной.

Использовать ноль - трансформатор "как есть" бессмысленно. Для начала нужно сделать так, чтобы на выходе ноль - трансформатора хотя бы появилось напряжение. Для этого требуется развернуть фазу колебаний на одной из половин выходной катушки на 180 градусов (не меняя конструкцию ноль - трансформатора). В этом случае на выходе должно появиться напряжение отличное от нуля. Задача, казалось бы, невыполнимая. Но, нам поможет резонанс индуктивно связанных колебательных контуров.

Подключим конденсатор C₁ к первичной обмотке ноль - трансформатора, а конденсатор C₂к половине L₂вторичной катушки "ноль - трансформатора". Получим индуктивно связанные колебательные контуры L₁C₁и L₂C₂ - Рис.8.

0x01 graphic

Рис.8. Индуктивно связанные колебательные контуры на основе "ноль - трансформатора" при частоте резонанса

Для частоты резонанса

фаза колебаний на L₂ развернётся на 180 градусов, а на L₃ останется без изменений (L₃ не участвует в резонансе). В результате на выходе ноль - трансформатора появится напряжение отличное от нуля для частоты

- Рис.8.

Но, это именно то, что нам надо. Резонанс позволил получить на выходе напряжение отличное от нуля. Подключай на выход нагрузку и получай полезную энергию. При этом, ток протекающий по выходной катушке ноль - трансформатора при подключённой нагрузке не должен создавать поле, взаимодействующее с полем первичной катушки (в силу конструкции ноль - трансформатора). Казалось бы, задача решена. Но, это не так.

Если мысленно замкнуть выход ноль - трансформатора, то мы увидим, что параллельно индуктивности L₂ подключается индуктивность L₃, что неизбежно приведёт к изменению резонансной частоты

в сторону её повышения. То есть, резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания выхода будут отличаться. Что является предельными случаями подключения различных нагрузок. Поэтому надо сделать так, чтобы резонансная частота не зависела от нагрузки. Резонансную частоту холостого хода надо повысить до уровня короткого замыкания. Тогда задача будет решена полностью.

ПОВЫШЕНИЕ ЧАСТОТЫ РЕЗОНАНСА ХОЛОСТОГО ХОДА

Если посмотреть на формулу для резонансной частоты

холостого хода

то видно, что она возрастает с увеличение коэффициента связи между контурами К. Поэтому для увеличения резонансной частоты холостого хода достаточно увеличить коэффициент связи между резонансными контурами. То есть, подвинуть первичную катушку L₁ ближе к катушке L₂. Что неизбежно приведёт к возрастанию резонансной частоты.

Однако, для режима короткого замыкания это тоже вызовет некое повышение резонансной частоты, но не такое сильное как для режима холостого хода. В результате можно найти такое место при сближении L₁ и L₂, когда резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания совпадут. Что приведёт к схеме - Рис.9, аналогичной показанной ранее на Рис.3.

0x01 graphic

Рис.9. Повышение резонансной частоты холостого хода за счёт сближения резонансных контуров.

Теперь задача окончательно решена. Можно двигаться дальше. Однако, по пути предложим другой способ выравнивания резонансных частот.

ПОНИЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ РЕЗОНАНСА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Другим возможным вариантов выравнивания частот холостого хода и короткого замыкания является понижение частоты резонанса короткого замыкания. Для этого надо увеличить величину индуктивности L₃, так как она подключается параллельно L₁. Этого можно достигнуть намотав больше витков в L₃, или вставить в L₃ ферромагнитный сердечник - Рис.10.

0x01 graphic

Рис.10. Понижении частоты резонанса короткого замыкания за счёт увеличения числа витков L₃ - (А), или введения в L₃ ферромагнитного сердечника - (В).

Варианты выравнивания резонансных часто на основе Рис.9 и Рис.10 можно комбинировать между собой. При этом, надо помнить, что частота

может меняться.

ОБЫЧНЫЙ НЕЭФФЕКТИВНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Все предыдущие рассуждения основывались на использовании ноль -трансформатора. Другим возможным вариантом использования связанных резонансных контуров является обычный трансформатор в котором вторичная катушка вся намотана в одну сторону, а коэффициент связи между первичной и вторичной катушкой меньше единицы K <1. То есть, это обычный трансформатор, использование которого в электротехнике неэффективно: из - за слабой связи между первичной и вторичной катушками.

Если в середине вторичной катушки сделать отвод и снабдить трансформатор резонансными конденсаторами, подобно тому как делалось ранее, то получим индуктивно связанные резонансные контуры.

В этом случае, при размещении первичной катушки в середине вторичной катушки (имеющей центральный отвод), получим на выходе вторичной катушки нулевое напряжение - Рис.11. Поскольку резонанс на частоте

развернёт фазу колебаний на L₂ на противоположную.

0x01 graphic

Рис.11 Использование обычного трансформатора со слабой связью между катушками.

В этом случае вторичную катушку можно замкнуть (разность потенциалов отсутствует), а нагрузку подключать к срединному отводу вторичной катушки и замкнутому выходу. Между ними разность потенциалов существует.

Казалось бы, задача решена. Но, не так всё просто. При нулевом значении сопротивления нагрузки через нагрузку будет протекать нулевой ток. Так как на вторичной катушке установится следующее распределение напряжения - Рис.12.

0x01 graphic

Рис. 12. Распределение напряжения на вторичной катушке при центральном расположении первичной катушки и нулевом сопротивлении нагрузки.

Откуда следует, что между серединой и концами катушки будет нулевая разность потенциалов и, как следствие, нулевой ток.

Но, выход из ситуации может быть найден в виде смещения первичной катушки относительно центра вторичной катушки. И выбора резонансной частоты

, одинаковой для холостого хода и короткого замыкания. В результате приходим к схеме Рис.13.

0x01 graphic

Рис.13. Схема на основе обычного трансформатора со слабой связью катушек.

Или к разновидности этой схемы - Рис.14.

0x01 graphic

Рис. 14. Схема на основе обычного трансформатора со слабой связью катушек.

ПОВЫШЕНИЕ ЧАСТОТЫ РЕЗОНАНСА ХОЛОСТОГО ХОДА

В дополнение к ранее указанным методам, можно предложить повышение частоты

холостого хода за счёт уменьшения ёмкости конденсатора C₂. Возможность подобной регулировки упоминалась в самом начале статьи.

ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СОЗДАННОГО ИСТОЧНИКА

Из электротехники известно, что у любого реального источника напряжения есть внутренне сопротивление, которое ограничивает максимальный ток, который способен выдать данный источник энергии. Будь то гидростанция или простейший гальванический элемент.

Чтобы определить внутреннее сопротивление в нашем случае нужно измерить ток короткого замыкания и напряжение холостого хода. Затем поделить значение напряжения на значение тока. В результате получим внутреннее сопротивление созданного источника энергии.

Если есть желание получить максимум энергии в нагрузке, то следует выбрать определённое значение сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника, что известно из электротехники. При этом, половина напряжения падает на внутреннем сопротивлении, а половина на нагрузке. Больше выжать энергии из любого источника нельзя, это максимум.

ИЗВЕСТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

ДОНАЛЬД СМИТ (ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СХЕМА)

Дональд Смит был не первым кто пытался использовать реактивную мощность для получения активной мощности (полезной энергии). Однако, он оставил схемы. Вот одна из схем, которая ближе всего к описанному ранее принципу. И, по моему мнению, наиболее достоверная - Рис.14.

0x01 graphic

Рис.14. Схема устройства на основе ноль - трансформатора. Первичная катушка смещена от центра в сторону резонирующей половинки вторичной катушки для выравнивания резонансных частот холостого хода и короткого замыкания.

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

CW - Clockwise winding - Намотка по часовой стрелке;

CCW - Counter clockwise winding - Намотка против часовой стрелки;

CT - Center - Середина;

Tesla Coil - Катушка Тесла, в том смысле, что имеет две резонирующие катушки;

L₁ - первичная катушка;

L₂ - вся вторичная катушка, состоящая из двух равных половин.

HV - High voltage - Высокое напряжение на трансформаторе от микроволновой

печки, включённом на понижение напряжения.

Из обозначений ясно, что конструкция основана на использовании ноль - трансформатора и резонанса индуктивно связанных контуров на частоте

. При резонансе на частоте

на выходе будет ноль. Сдвиг первичной катушки в сторону резонирующей части вторичной катушки, говорит о том, что резонансная частота холостого хода конструкции поднимается за счёт увеличения коэффициента связи между резонирующими контурами. Таким образом, выравниваются резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания выхода.

Для получения большой выходной мощности при малом токе используется импульсное высоковольтное возбуждение на удвоенной частоте. На выходе стоит понижающий трансформатор.

Оба резонирующих контура, скорее всего, первоначально не настроены на одну частоту

точно, имеют разное число витков и разные конденсаторы. То есть, конструкция может быть выполнена как с повышением напряжения, так и с понижением. Не зависимо от типа трансформатора на выходе.

Вот как Дональд Смит описывал устройство на основе "ноль - трансформатора" - Рис.15.

0x01 graphic

Рис.15. Описание устройства на основе "ноль - трансформатора" по Дональду Смиту.

"Электроны вращаются вправо и создают ток. Электроны вращаются влево и создают напряжение" - Дональд Смит. Вот это объяснение! О том, что намотка для вторичной катушки ведётся проводом от центра в разных направлениях ни слова. О том, что правая часть катушки находится в резонансе с первичной катушкой на частоте

тоже ни слова. А о том, что первичную катушку надо сместить вправо для выравнивания резонансных часто даже намёка нет.

Таким образом, Дональд Смит принял максимум усилий чтобы запутать читателя. Но, это становится понятно только после того как во всём разберёшься.

Есть и ещё одно высказывание о том, что "длина провода половинки вторичной катушки должна быть в четыре раза длиннее провода первичной". Что, скорее всего, не соответствует действительности. Речь идёт не о длине провода, а о распределении напряжения на катушке.

Если взглянуть на схему известной "доски Смита" (не совсем точную), то в ней использованы номиналы конденсаторов 0,2 Мкф и 0,047 Мкф. Следовательно, для поддержания резонанса на частоте

индуктивность резонирующей половинки вторичной катушки должна быть примерно в четыре раза больше индуктивности первичной катушки. Поскольку схема выполнена с повышением напряжения - Рис.16. Однако, если оценить величины индуктивностей на основе внешних размеров, то разница окажется более чем в четыре раза. Поэтому Смит называл конденсатор С₂ подстроечным.

0x01 graphic

Рис. 16. Схема на основе неэффективного трансформатора. Первичная катушка смещена от центра в сторону резонирующей половинки вторичной катушки для выравнивания резонансных частот холостого хода и короткого замыкания.

В этой схеме, основанной на обычном трансформаторе со слабой связью катушек, также происходит разворот фазы на частоте

. Поэтому можно сказать, что половина катушки генерирует напряжение, а половина катушки - ток (там, где резонанс). Но, это лишь образное высказывание.

Раскачка идёт высоковольтными однополярными импульсами. Первичная резонансная катушка заряжается от импульсов как уединённый конденсатор, а затем разряжается на заземление. Так энергия источника эффективнее уходит в резонансную катушку. Этим пользовался ещё Тесла. Если делать наоборот: резонансную катушку подключать к заземлению и искрить на неё, то энергия импульсов уходит на заряд катушки как уединённого конденсатора, а не на раскачку резонанса. Таким образом, заземление используется как некая опора, помогающая эффективнее раскачивать колебательный контур.

АЛЬФРЕД ХАББАРД (АВТОТРАНСФОРМАТОР)

Альфред Хаббард был предшественником Дональда Смита, и если верить Смиту, то использовал ту же технологию, что и он. Вот слова Смита об устройстве Хаббарда:

"Hubbard has a central "electromagnetic transmitter" surrounded by a ring of "receivers" closely coupled magnetically to the transmitter"...

То есть, "У Хаббарда есть центральный "электромагнитный передатчик", окруженный кольцом "приемников", тесно связанных магнитно с передатчиком" ...

При этом на схеме Хаббарда (возможно, не совсем точной) присутствуют резонансные конденсаторы на передатчике и приёмных катушках. Что позволяет прийти к выводу, что передатчик и приёмник -- это связанные резонансные контуры, резонирующие на частоте

или частоте

Однако, не понятно, как производится выравнивание резонансных частот холостого хода и короткого замыкания. Возможно, что это происходит за счёт особенностей конструкции и числа витков в катушках - Рис.17.

0x01 graphic

Рис.17 Предположительная конструкция резонансного трансформатора Альфреда Хаббарда.

СТИВЕН МАРК

Стивен Марк демонстрировал различные приборы генерации энергии, основанные на использовании тороидов, получивших название "Тороидальные Энергетические Устройства - TPU". Есть видео демонстрации. Приведём пару картинок - Рис.18.

0x01 graphic

Рис.18 Один из вариантов внешнего вида TPU Стивена Марка.

Однако, подробное описание конструкции отсутствует. Есть только догадки, основанные на высказываниях автора.

Для нас будет интересно предположение, что работа устройств основана на связанных резонансных контурах. Сделать такое предположение позволяет картинка справа вверху, где видны два резонансных конденсатора и два дросселя. Что очень сильно напоминает схему простейшей микроволновой печки на двух транзисторах. Использование этой схемы для раскачки первичного резонансного контура может обеспечивать автоматическую подстройку частоты колебаний

или

- Рис.19.

0x01 graphic

Рис. 19 Схема простейшего индукционного нагревателя на двух транзисторах.

Для снижения коэффициента связи между первичным и вторичным контурами может использоваться дополнительный тороид, забирающий на себя часть электромагнитного потока. Подобные картинки можно найти в Интернете - Рис.20.

0x01 graphic

Рис.20 Уменьшение коэффициента связи между резонансными контурами за счёт дополнительного тороидального магнитопровода.

В этом случае все электромагнитные поля находятся внутри устройства и не выходят наружу. Что подтверждается замерами внешнего поля на видео Стивена Марка. Поэтому при проведении простейших экспериментов уделим внимании и связанным резонансным контурам на основе тороидальной конструкции.

А также утверждению Стивена Марка о том, что на идею создания устройства его подтолкнул патент Николы Тесла (приведённый ниже), где используются четыре катушки на тороидальном сердечнике. Здесь конструкция TPU будет другая.

0x01 graphic

Рис. 21 Патент Николы Тесла.

В этом случае, если предположить, что речь идёт о связанных резонансных контурах и трансформаторной схеме, то две противоположные катушки могли быть использованы как первичная резонансная катушка. Одна боковая - как вторичная резонансная, и оставшаяся боковая - для подключения нагрузки ко вторичной резонансной. Как показано ниже в двух вариантах А1 и А2 - Рис.22.

0x01 graphic

Рис. 22 Связанные резонансные контуры, расположенные на тороидальном сердечнике по схеме ноль - трансформатора.

То есть, фактически это схема на основе ноль трансформатора с использованием тороидального сердечника. При этом, связь между контурами будет сильная, а резонансная частота

высокая по сравнению с

Выравнивание резонансных частот холостого хода и короткого замыкания возможно, видимо, за счёт числа витков и резонансных конденсаторов.

Если предположить, что речь идёт об автотрансформаторной схеме, то обмотки могут быть использованы попарно для создания первичной и вторичной катушек. Связь при этом также будет очень сильная.

ПРОСТЕЙШИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ

РАЗВОРОТ ФАЗЫ НА ЧАСТОТЕ

Проверим, действительно ли фаза колебаний вторичной катушки разворачивается на 180 градусов при резонансе на частоте

0x01 graphic

Изготовим резонансные контуры. Намотаем на оправке диаметром 50 мм по 14 витков провода в изоляции для каждого контура. Снимем намотку с оправки и обмотаем изоляцией для придания жёсткости. Подключим два резонансных конденсатора по 0,1 мкФ и генератор синусоидального сигнала Г6-27 через резистор 100 Ом к одному из контуров. Получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

Индуктивно связанные контуры "сдвинутые" и "раздвинутые".

В таком положении катушек с небольшим их перекрытием или раздвинутыми (как на втором фото) и будем проводить эксперимент. Подключим двухлучевой осциллограф к катушкам, настроимся на резонансные частоты

затем

и пронаблюдаем осциллограммы. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке. Слева резонанс на частоте

= 113 кГц. Справа резонанс на частоте

= 125 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка. Сигналы тождественны для обоих приведённых ранее вариантов конфигурации (поэтому отдельно не приводятся).

ВЫВОД

На частоте

фаза колебаний на вторичной катушке действительно отличается на 180 градусов (в обоих вариантах). Резонанс разворачивает фазу на 180 градусов. Вторичная катушка фактически вырабатывает сигнал противо ЭДС. Резонансные частоты

отличаются незначительно из- за слабой связи катушек, что согласуется с теорией.

ДАЛЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТ С НАГРУЗКОЙ НА ЧАСТОТЕ

Попробуем подключить нагрузку и проследить влияние на резонанс для конструктива, использованного ранее. Для этого несколько изменим параметры вторичной катушки. Увеличим вдвое (до 28 витков) количество витков во вторичной катушке при сохранении её внешних размеров (как следствие её индуктивность возрастёт в четыре раза).

Конденсаторы возьмём ёмкостью 0.02 Мкф и 0.005 Мкф. Так чтобы резонансные частоты первичной и вторичной катушки совпадали. Подключим катушки так как показано на схеме ниже. Намотка катушек в одном направлении, и подключены они последовательно (не встречно).

0x01 graphic

Настроимся на резонансную частоту

при нулевой нагрузке. Частота оказалась 320 кГц из-за уменьшенных конденсаторов. Затем для нагрузки, соответствующей двум светодиодам, и наконец для короткого замыкания выхода. Двухлучевой осциллограф подключим к первичной катушке и месту подключения нагрузки. И посмотрим осциллограммы для частоты

, которые приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - нагрузки нет, центр - нагрузка в виде светодиодов, справа - короткое замыкание. Красный - первичная катушка, жёлтый - место подключения нагрузки. Осциллограммы тождественны для обоих вариантов конфигурации поэтому отдельно не приводятся.

0x01 graphic

Иллюстрация подключения светодиодов (два встречно/параллельных). Результаты тождественны для "сдвинутых" относительно друг друга и "раздвинутых" с помощью прокладки катушек.

ВЫВОД

Подключение нагрузки или даже короткое замыкание выхода не влияют на резонансную частоту первичной катушки для обоих вариантов конфигурации.

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

Подключение нагрузки или короткое замыкание выхода увеличивает добротность колебательной системы (немного возрастаем амплитуда колебаний). То есть, прямо противоположно тому, что бывает при использовании одного колебательного контура.

ДАЛЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТ С НАГРУЗКОЙ НА ЧАСТОТЕ

Повторим эксперимент, но для частоты

. Для чего подключим вторичную катушку встречно к первичной. Внешне это не приведёт к каким - либо заметным изменениям. Конденсаторы используем 0.01 Мкф и 0.0025 Мкф. Далее настроимся на частоту

(которая будет 383 кГц) и посмотрим осциллограммы для различных нагрузок. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - нагрузки нет, центр - нагрузка в виде светодиодов, справа - короткое замыкание. Красный - первичная катушка, жёлтый - место подключения нагрузки. Осциллограммы тождественны для обоих вариантов конфигурации (показанных ниже) поэтому отдельно не приводятся.

0x01 graphic

ВЫВОД

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

ДАЛЕЕ ИЗМЕНИМ КОНСТРУКТИВ

Изменим конструктив и посмотрим, как он влияет на результаты. Возьмем сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней 26 витков высоковольтным проводом (первичная катушка). Затем рядом ещё 26 витков (вторичная катушка). Основа для эксперимента готова.

0x01 graphic

Подключим к первичной и вторичной катушке резонансные конденсаторы по 0,1 мкФ и 0,11 мкФ, и двухлучевой осциллограф.

Подключим через 100 Ом генератор синусоидальных колебаний к первичной катушке. Настроимся в начале на частоту

, а затем на частоту

. Результаты в виде осциллограмм приведены ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 104 кГц. Справа резонанс на частоте

- 119 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

фаза колебаний на вторичной катушке действительно отличается на 180 градусов. Вторичная катушка фактически вырабатывает сигнал противо ЭДС. Резонанс разворачивает фазу. Резонансные частоты

отличаются незначительно из- за слабой связи катушек. То есть, смена конструктива не привела к существенным изменениям результата. Всё, как и должно быть.

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

Амплитуду колебаний вторичной катушки можно менять изменением конденсатора C₂, влияющего также на частоту резонанса

. Увеличение С₂ приводит к снижению амплитуды на вторичной катушке и снижению частоты резонанса. Поэтому в эксперименте С₂ немного больше С₁, чтобы амплитуды сигналов совпадали, что более "эстетично" на экране.

ДАЛЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТ С НАГРУЗКОЙ ДЛЯ ЧАСТОТЫ

Домотаем вторым слоем ещё 26 витков на вторичную катушку, получим общее количество витков 52, то есть в два раза больше чем на первичной катушке. Вся намотка в одном направлении, катушки соединены последовательно (не встречно). Подключаем резонансные конденсаторы 0.01 мкФ и 0.0025 мкф, и смотрим поведение. Схема подключения аналогична предыдущим опытам.

0x01 graphic

При этом, настраиваемся на резонансную частоту

при нулевой нагрузке. Частота оказалась 380 кГц (из-за меньших значений конденсаторов). Затем для нагрузки, соответствующей двум светодиодам, и наконец для короткого замыкания выхода. Двухлучевой осциллограф подключим к первичной катушке и месту подключения нагрузки. Смотрим осциллограммы для частоты

, которые приведены ниже. Для

=329 кГц осциллограммы нам не интересны.

0x01 graphic

Иллюстрация подключения светодиодов (два встречно/параллельных),

=380 кГц.

0x01 graphic

Слева - нагрузки нет, центр - нагрузка в виде светодиодов, справа - короткое замыкание. Красный - первичная катушка, жёлтый - место подключения нагрузки.

ВЫВОД

Подключение нагрузки или даже короткое замыкание выхода не влияют на резонансную частоту

первичной катушки. Смена конструктива не привела к принципиальным изменениям результата.

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

ДАЛЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТ С НАГРУЗКОЙ НА ЧАСТОТЕ

Подключаем вторичную катушку, содержащую 52 витка, встречно к первичной катушки. То есть так, чтобы намотка в них была встречная. Cобираем схему, приведённую ниже

0x01 graphic

При этом, настраиваемся на резонансную частоту

при нулевой нагрузке. Частота известна 329 кГц (из предыдущего опыта). Затем для нагрузки, соответствующей двум светодиодам, и наконец для короткого замыкания выхода. Двухлучевой осциллограф подключим к первичной катушке и месту подключения нагрузки. Смотрим осциллограммы для частоты

, которые приведены ниже. Для

=380 кГц осциллограммы нам не интересны.

0x01 graphic

Иллюстрация подключения светодиодов (два встречно/параллельных),

=329 кГц.

0x01 graphic

ВЫВОД

Подключение нагрузки или даже короткое замыкание выхода не влияют на резонансную частоту

первичной катушки. Смена конструктива не привела к принципиальным изменениям результата.

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

ДАЛЕЕ МОЖНО НЕ ЧИТАТЬ !!!!!!

МАТЕРИАЛ В РАБОТЕ !!!!!

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ

РАЗВОРОТ ФАЗЫ В НОЛЬ - ТРАНСФОРМАТОРЕ

В этом случае в резонансе участвуют первичная катушка и половина вторичной катушки. Вторая половина вторичной катушки в резонансе не участвует, но напряжение на ней складывается с резонансным. Для резонанса на частоте

на выходе должен быть ноль (половинки выходной катушки намотаны встречно). При резонансе на частоте
напряжение отличное от нуля (произойдёт разворот фазы в одной из половинок).

Отличие данных экспериментов от предыдущих только в том, что вторичная катушка мотается от центра в разные стороны. Схема для проверки фактически та же, что и ранее.

Сигнал на вход подаётся через резистор 100 Ом.

0x01 graphic

Для проведения эксперимента сконструируем ноль - трансформатор на основе цилиндрических катушек без использования сердечника.

0x01 graphic

Намоточные данные следующие. Первичная катушка 15 витков на обрезанной пластиковой бутылке 60 мм, вторичная 34+34 витка в разные стороны на 50 мм сантехнической трубе. К первичной катушке подключен конденсатор 0,1 мкФ, к половине вторичной конденсатор 0,025 мкФ. Двухлучевой осциллограф подключен к первичной катушке и ко всей вторичной катушке. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 135 кГц. Справа резонанс на частоте

- 206 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

на выходе ноль (жёлтый), как и ожидалось. Однако, чтобы его получить пришлось первичную катушку немного сдвинуть в сторону от резонансной части вторичной катушки, чтобы выровнять амплитуды колебаний. Что заметно, если посмотреть на фотографию конструкции показанную ранее.

На частоте

фаза колебаний на половине вторичной катушки действительно развернулась почти на 180 градусов и сложилась с напряжением на половинке без резонанса - на выходе появился сигнал (жёлтый). При этом, первичная катушка оставалась на месте. Всё, как и ожидалось.

Однако, заметим, что аналогичного результата можно было добиться без сдвига первичной катушки в сторону от центра, а введя с нужной стороны ферритовый сердечник, как показано ниже. Например, из трёх плоских ферритовых антенн, сложенных вместе. Это также выравнивает амплитуды на половинках вторичной катушки для частоты

. Такой подход показан на фото ниже.

0x01 graphic

Проверяем как влияет использование ферритового сердечника на всей длине трансформатора - мотаем на феррите. Катушки также предварительно не настраиваем.

0x01 graphic

Мотаем на феррите, первичная катушка 15 витков на обрезанной пластиковой бутылке 60 мм, вторичная катушка 36+36 витков в разные стороны от центра, примерно на оправке 50 мм. Внутри "колбаса" из ферритовых колец диаметром 40 мм и проницаемостью 1000 единиц на всю длину трансформатора. К первичной катушке подключён конденсатор 0,1 мкФ, ко вторичной 0,025 мкФ. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 57 кГц. Справа резонанс на частоте

- 135 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

на выходе ноль (жёлтый), как и ожидалось. Чтобы его получить первичную катушку опять пришлось немного сдвинуть в сторону от резонансной части вторичной катушки, чтобы выровнять амплитуды колебаний. Что заметно на фотографии конструкции, приведённой ранее. На частоте

РАЗВОРОТ ФАЗЫ В НЕЭФФЕКТИВНОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ

В этом случае в резонансе участвуют также первичная катушка и половина вторичной катушки. Вторая половина вторичной катушки в резонансе не участвует, но напряжение на ней складывается с резонансным.

Проверим следующую схему.

0x01 graphic

При частоте резонанса

на выходе должно быть нулевое напряжение, а при резонансе на частоте

напряжение отличное от нуля.

Проведём эксперимент на основе цилиндрических катушек без использования сердечника.

Возьмём сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней 34+34 витков высоковольтным проводом с отводом от середины. Это будет вторичная катушка обычного трансформатора со слабой связью катушек.

Возьмём обрезанную полиэтиленовую бутылку диаметром 60 мм и намотаем на ней 15 витков высоковольтного провода. Это будет первичная катушка. Наденем первичную катушку на вторичную катушку и получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

Подключим резонансный конденсатор 0,1 мкФ к первичной катушке и 0,1 мкФ ко вторичной катушке (да, конденсатор такой же). Подадим сигнал на первичную катушку и посмотрим сигналы на первичной и всей вторичной катушке при различных частотах резонанса.

0x01 graphic

Слева - резонанс на частоте

= 89 кГц. Справа - резонанс на частоте

= 165 кГц.

Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

ВЫВОД

При резонансе на частоте

сигнал на выходе практически отсутствует. То есть, произошёл разворот фазы на резонансной половине вторичной катушки. Что и ожидалось.

ЗАМЕЧАНИЕ

Чтобы получить на частоте

сигнал близкий к нулю на вторичной катушке пришлось подбирать конденсатор во вторичной катушке. Он оказался таким же, как и в первичной катушке. Первичная катушка в опыте находилась в середине вторичной.

Проверяем как влияет использование ферритового сердечника на всей длине трансформатора - мотаем на феррите.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 42 кГц. Справа резонанс на частоте

- 113 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

сигнал на выходе (жёлтый) большой амплитуды, как и ожидалось. На частоте

фаза сигнала на половине вторичной катушки (там, где конденсатор) развернулась почти на 180 градусов и выходной сигнал стал близок к нулю. Всё, как и ожидалось, ферритовый сердечник не внёс принципиальных изменений.

ЗАМЕЧАНИЕ

Чтобы получить сигнал на выходе близкий к нулю на частоте

, пришлось подобрать конденсатор в резонансной части выходной катушки. При более точном подборе сигнал мог быть ещё ближе к нулю. Первичная катушка в опыте находилась в середине вторичной.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

-- Первичная катушка трансформатора и половина вторичной катушки ведут себя как связанные резонансные контуры. При этом, их не обязательно настраивать предварительно на одну и ту же первоначальную частоту

-- В резонансе на выходе трансформаторов можно получать напряжения отличные от нуля, если без резонанса они нулевые, и наоборот.

ТОЖЕ С МАЛОЙ ПЕРВИЧНОЙ КАТУШКОЙ

Здесь проверим утверждение, что катушки первоначально не обязательно настраивать на одну и ту же частоту

Вторичная та же, как и ранее, а первичная на обрезанной полиэтиленовой бутылке диаметром 63 мм, намотано 8 витков высоковольтного провода.

0x01 graphic

ТОЖЕ С ВНУТРЕННЕЙ ПЕРВИЧНОЙ КАТУШКОЙ

Повтор предыдущего эксперимента, когда использовалось мало витков в первичной катушке, только теперь первичная катушка находится внутри вторичной.

Первичная намотана на трубе 50мм и содержит 28 + 28 витков, вторичная на трубе 32 мм и содержит 8 витков высоковольтного провода.

0x01 graphic

Результаты приведены ниже.

...........................

Резонанс на частоте

. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

.......................

Резонанс на частоте

. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

ВЫВОД

При резонансе на частоте ?₂ сигнал на выходе практически отсутствует. Что опять же ожидалось.

0x01 graphic

На воздухе, первичная 8 витков, вторичная 28+28 витков в одну сторону

0x01 graphic

На воздухе, первичная 8 витков на обрезанной бутылке 63 мм, вторичная 34+34 витка в разные стороны на 50 мм трубе.

0x01 graphic

На воздухе, первичная 8 витков на трубе 32 мм, вторичная та же, как и ранее.

0x01 graphic

Подключим первичную катушку к генератору через сопротивление 100 Ом.

Замкнём вторичную катушку накоротко и настроим генератор в резонанс на частоту

. То есть, реализуем схему Рис.12. Посмотрим осциллограммы.

Меняя частоту и двигая первичную катушку внутри вторичной, добьёмся того, что подключение нулевого сопротивления нагрузки не меняет резонансную частоту.

0x01 graphic

Режим холостого хода. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

Режим короткого замыкания. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый сигнал на вторичной катушке.

НОЛЬ - ТРАНСФОРМАТОР С ДРУГИМ ЧИСЛОМ ВИТКОВ

Возьмём сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней по 34 витка высоковольтного провода в разные стороны. Это будет вторичная катушка ноль - трансформатора.

Возьмём сантехническую трубу диаметром 32 мм и намотаем на ней 8 витков высоковольтного провода. Это будет первичная катушка.

Получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

Первичная катушка на трубе 32 мм имеет 8 витков высоковольтного провода. Вторичная катушка на трубе 50 мм имеет 34+34 витка намотанных встречно от центра.

Первичная катушка находится внутри вторичной в положении как на фотографии (смещена в сторону) для выравнивания резонансных частот. Подключим резонансные конденсаторы и генератор через резистор сопротивлением 100 Ом. Настроимся на резонансную частоту

При замыкании вторичной катушки частота резонанса первичной не изменяется.

Однако, добротной первичной катушки крайне мала.

Ток короткого замыкания 6 мА при напряжении от генератора около 10 В.

ТОЖЕ, НО С ВНЕШНЕЙ ПЕРВИЧНОЙ КАТУШКОЙ

Вторичная катушка, как и ранее, намотана на полиэтиленовой трубе диаметром 50 мм без феррита. Но, первичная на оправке из полиэтиленовой бутылки с возможностью перемещения вдоль вторичной катушки.

КАК И РАНЕЕ, НО С ФЕРРИТОМ ВНУТРИ

0x01 graphic

Вторичная катушка намотана на "колбасе" из ферритовых колец проницаемостью около 1000 единиц. Первичная на оправке из полиэтиленовой бутылки с возможностью перемещения вдоль вторичной катушки.

0x01 graphic

Генератор раскачки подключён к первичной катушке, состоящей из двух половин, намотанных на противоположных сторонах кольца 20 и 20 витков в одну сторону. Вторичная катушка между ними 40 витков. На против неё служебная катушка 20 витков, которая в эксперименте не использовалась.

Конденсаторы 10нФ в разной комбинации, чтобы входная и выходная катушки имели одинаковую исходную резонансную частоту.

0x01 graphic

Генератор раскачки по схеме аналогичной (но, не копия) индукционному нагревателю на транзисторах 2N2222A, резисторы в цепях баз 1,7 кОм, дроссели по 2,2 миллигенри на небольших ферритовых кольцах проницаемость около 1000 (можно и другие кольца).

Для запуска на частоте

использовалось шунтирование выходной катушки электролитом, заряжаемым через диод. После заряда электролита шунтирование прекращалось.

Изготовим еще один контур (не резонансный), намотав 28 витков провода меньшего диаметра, так чтобы его геометрические размеры соответствовали ранее изготовленным резонансным контурам. И расположим все контуры так, как показано на рисунке ниже. То есть, создадим конструкцию на основе ноль - трансформатора.

0x01 graphic

В центре - входной резонансный контур, справа - выходной резонансный контур, слева - контур для подключения нагрузки к выходному резонансному контуру.

Опять изменим конструктив. Резко увеличим коэффициент связи между резонансными катушками. Для чего намотаем их на противоположных сторонах ферритового кольца, сделав по 16 витков провода. А между ними намотаем детектирующую катушку 8+8 витков в одну сторону, которая поможет фиксировать наличие поля в сердечнике. В результате получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

К контурам подключим резонансные конденсаторы по 0,1 мкФ и двухлучевой осциллограф, а на одну из катушек подадим синусоидальный сигнал через резистор 100 Ом. Настроимся на резонансы и пронаблюдаем сигнал. Ниже представлен результат наблюдения.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 17 кГц. Справа резонанс на частоте

- 155 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

фаза колебаний на вторичной катушке опять отличается на 180 градусов, не смотря на сильную связь между контурами. Вторичная катушка фактически опять вырабатывает сигнал противо ЭДС. Резонанс разворачивает фазу. Резонансные частоты

существенно отличаются друг от друга из- за сильной связи катушек, что согласуется с теорией.

Рассмотрим, как смена полярности сигнала на втором контуре влияет на поведение поля при различных частотах резонанса. Воспользуемся детектирующими катушками. Подключим светодиоды к детектирующей катушке на кольце, а также к заранее подготовленной внешней детектирующей катушке, содержащей 14 витков. И посмотрим на их свечение при различных резонансных частотах.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 17 кГц - горят светодиоды, подключённые к детектирующей катушке на кольце. Справа резонанс на частоте

- 155 кГц - горят светодиоды, подключённые к внешней детектирующей катушке.

ВЫВОД

На частоте резонанса

поле находится внутри ферритового кольца. При резонансе на частоте

поле выходит наружу между резонансными контурами. Что является следствием того, что фаза сигнала второго контура меняется на противоположную, и создаётся встречное поле для первого контура. То есть, это как бы две катушки, включённые встречно.

СОПУТСТВУЮЩИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Помимо рассмотренных вариантов организации связанных индуктивно резонансных контуров возможны и другие варианты. Рассмотрим электрически связанные контуры. Они не рассматривались в теоретической части, но тем не менее тоже будут интересны. В них связь частично осуществляется за счёт индукции, а частично подсоединением резонансных конденсаторов. При этом, может использоваться отдельная катушка возбуждения (но, не обязательно). Источник сигнала можно подключать к одному из контуров, как и ранее - варианты A, B, C.

0x01 graphic

Эксперименты будут проводиться с использованием того же ферритового кольца, как и ранее. С теми же намоточными данными.

Цель экспериментов показать, что для приведённых схем резонансное поле также будет проходить, как и ранее, перпендикулярно первичной катушке для резонансной частоты

. И оставаться внутри сердечника для резонансной частоты

При реализации варианта (А) возможно, как последовательное, так и параллельное включение половинок катушки возбуждения - варианты (А1) и (А2).

0x01 graphic

ВАРИАНТ А1

Катушка возбуждения состоит из двух равных обмоток по 8 витков, расположенных на противоположных сторонах кольца (тип и размеры кольца, как и ранее) и включённых последовательно.

Вся вторичная катушка (L₂ + L₃) и её половинка L₂ настроены на одну и ту же первоначальную частоту

за счёт использования конденсаторов 0,1 мкФ и 0,025 мкФ. Результаты наблюдения осциллограмм приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц. Справа - резонансная частота

= 267 кГц.

Красный - на половинке, жёлтый - на всей катушке. На резонансной частоте

полярности сигналов на половине катушки и на всей катушке стали противоположными. Что и ожидалось.

Результаты наблюдения выхода поля из сердечника, на основе внешней детектирующей катушки, приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц, поле внутри сердечника (диоды не светятся). Справа - резонансная частота

= 267 кГц, поле вышло из сердечника перпендикулярно возбуждающим катушкам (диоды светятся). Сильное отличие в резонансных частотах говорит о сильной связи между катушками.

ВЫВОД

Не смотря на то, что схема создания связанных контуров отличается, резонансное поле на частоте

также выходит из сердечника и ориентировано по диаметру, перпендикулярно первичной катушке. То есть, как и ранее, поле при резонансе выходит за пределы кольцевого сердечника. Для частоты резонанса

поле остаётся внутри сердечника. Поведение аналогичное двум индуктивно связанным контурам.

ВАРИАНТ А2

Параллельное включение половинок возбуждающей катушки. Результаты полностью аналогичны варианту (А1) при их последовательном включении, поэтому не приводятся.

ВАРИАНТ В

В этом варианте не используется возбуждающая катушка. Сигнал от генератора подаётся непосредственно на резонансный контур. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц. Справа - резонансная частота

= 267 кГц.

Красный - сигнал на половине катушки. Жёлтый - сигнал на всей катушке. Для частоты

полярность сигнала на всей катушке поменялась на противоположную.

Результаты наблюдения выхода поля из сердечника, на основе детектирующих катушек (одна на кольце, вторая внешняя), приведены ниже. В виде свечения светодиодов.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц, поле внутри сердечника (светятся диоды от детектирующей катушке на кольце). Справа - резонансная частота

= 267 кГц, поле вышло из сердечника (светятся диоды от внешней детектирующей катушки). Сильное отличие в резонансных частотах

говорит о сильной связи между катушками, что согласуется с теорией.

ВЫВОД

Не смотря на то, что схема создания связанных контуров отличается, полярность сигнала на частоте

также меняется на противоположную. Резонансное поле на частоте

также выходит из сердечника и ориентировано по диаметру. Для частоты резонанса

поле остаётся внутри сердечника.

ВАРИАНТ С

Результаты варианта С не приводятся, поскольку они аналогичны варианту В.

ВАРИАНТ А1-1

Используем ещё один вариант электрической связи резонансных контуров. Намотаем контура на двух отдельных ферритовых кольцах и реализуем разновидность схемы А1, как показано ниже.

0x01 graphic

В результате получим резонансную катушка в виде двух абсолютно одинаковых колец, сложенных в стопку, и содержащих одинаковое число витков (число витков не принципиально). К катушке подключены конденсатор 0,1 мкФ (к одному из колец) и 0,05 мкф (к двум последовательно соединённым кольцам) в соответствии со схемой А1. В результате весь контур из двух колец, и его половина из одного кольца будут настроены на одну резонансную частоту

. Поверх сложенных колец намотана катушка возбуждения (правое фото).

Цель эксперимента показать, что и в данном случае существует резонансная частота

при которой также осуществляется разворот полярности поля на половине резонансной катушки, не смотря на то, что индукционная связь отсутствует. Чтобы показать это подключаем двухлучевой осциллограф, генератор, настраиваемся на резонансную частоту и смотрим осциллограммы. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 5,2 кГц. Справа - резонансная частота

= 12,2 кГц.

Красный - половина вторичной катушки (одно кольцо), жёлтый - вся вторичная катушка (два кольца).

РЕЗУЛЬТАТ

Осциллограммы показывают, что полярности сигналов на всей вторичной катушке (двух кольцах) и на половине вторичной катушки (одном кольце) противоположны для частоты

. То есть, на частоте

происходит разворот фазы на одном из колец (там, где резонансный конденсатор). Слабое отличие резонансных частот говорит о слабой связи между резонансными контурами.

ВЫВОД

Все закономерности, выявленные ранее остаются справедливыми и для этого варианта.

ЗАМЕЧАНИЕ

Для рассмотренных модификаций с раздельными кольцами также возможны варианты В и С без катушки возбуждения. Однако, исследовать их мы не будем в силу предсказуемости результата.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

-- Чтобы наблюдать резонансы на частотах

не обязательно предварительно настраивать контуры на одну частоту

. Разница в настройках приводит только к изменению значений резонансных частот, но не отрицает наблюдение самих резонансов.

-- Чем сильнее связь между контурами, тем больше частота

стремится к бесконечности, что согласуется с теорией.

-- На частоте

действительно происходит разворот фазы во вторичной катушке относительно первичной на 180 градусов. Что является следствием возникновения в ней поля эквивалентного противо ЭДС.

-- Разворот фазы на 180 градусов происходит при различных конструкциях связанных резонансных контуров.

-- Для контуров, намотанных на замкнутом магнитопроводе поле выходит за пределы магнитопровода на частоте

ЭКСПЕРИМЕНТ НА ФЕРРИТОВЫХ КОЛЬЦАХ

С ОБЫЧНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ

///////////////////////////////////////

ЛИТЕРАТУРА

Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для ву- зов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь,. 1986. 512 с.: ил. ни.

Скачать учебник можно по ссылке:

https://raw.githubusercontent.com/rf-slf-4x1/site_materials/main/radio_electronics/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D1%86%D0%B5%D0%BF%D0%B8%20%D0%B8%20%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8B%20-%20%D0%93%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9%20%D0%98.%20%D0%A1..pdf

СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА

Оставить комментарий © Copyright Уткин Владимир (u.v@bk.ru) Размещен: 28/01/2024, изменен: 28/01/2024. 83k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 227 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Описывается принцип подключения нагрузки к резонансному контуру не разрушающий резонанс. Приводятся схемы и простейшие эксперименты. Интересно для широкой аудитории читателей.

Уткин Владимир : другие произведения.

Секреты Николы Тесла. Использование реактивной мощности