2018-09-24
Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
Всі статті
Повільні магнітні хвилі
Для багатьох дослідників і любителів фізики ці дані можуть стати одкровенням, т. к. іноді частково, а іноді і повністю вони будуть виходити за рамки класичних уявлень про магнітному полі і хвильових процесах у довгій лінії. У цій замітці ми розповімо про експерименти та обладнання для них, обговоримо абсолютно незвичайні їх результати, а потім поговоримо і про генераторі на цьому ефекті.
З курсу радіотехніки ми знаємо про хвильових процесах виникають у довгих лініях (ДЛ). Вони добре описуються телеграфними рівняннями і теорією Максвелла, часто застосовуються на практиці і добре вивчені експериментально. Головна відмінність довгій лінії від зосередженої — розподіл пучностей струму і напруги вздовж неї. У ДЛ такий розподіл починається за умови її довжини дорівнює 1/4 від довжини хвилі, а сама хвиля поширюється вздовж ДЛ з близько світловою швидкістю. У зосередженої лінії, пучностей струму і напруги не спостерігається, оскільки довжина такої лінії набагато менше довжини хвилі. Так все і було до відкриття повільних хвиль, які пізніше Д. Сміт назве — магнітними.
Классическое распределение электрического и магнитного полей в длинной линии в режиме 1/4 длины волны
Розглянемо найпростішу схему з генератором G1, підключеним до довгої лінії L2 через індуктор L1 (рис. 1.1). До речі, це схема класичного трансформатора Тесли. Знайдемо в ній таку частоту генератора, щоб довжина ДЛ стала рівної 1/4 його довжини хвилі. У цьому випадку, встановиться режим з пучностью струму на початку ДЛ і пучностью напруги в її кінці, що повністю відповідає класичним уявленням. Для магнітного поля це означає його максимум на початку ДЛ, а максимум електричного — в її кінці, що і зображено на малюнку (1.2).
Як ви думаєте, що в реальності буде з розподілом магнітного поля (МП) уздовж ДЛ, якщо ми почнемо зменшувати частоту генератора? З позицій класичної радіотехніки ми отримаємо схему з зосередженими параметрами, де не повинно спостерігатися перерозподілу струму і напруги. Але чи так це насправді? Поступово зменшуючи частоту генератора спочатку ми доберемося до режиму 1/8 довжини хвилі, де, за певних умов, зможемо спостерігати перше некласичне явище — відсутність МП навколо провідника, по якому тече струм. А щоб спостерігати ще більш незвичайна поведінка МП, нам необхідно буде спуститися генератором до частот, відповідних 1/100 (і менше) від довжини хвилі L2. Здавалося б, ось вже де ніякого перерозподілу МП ми не зможемо побачити, але саме тут і починається найцікавіше!
Некласичне розподіл магнітного поля
Для дослідження такого незвичайного, з точки зору класики, поведінки МП зберемо ще більш просту схему (рис. 2.2). До речі, можна залишити і попередню (1.1), але оскільки тут електричне поле тут не виявляє ніяких аномалій, і вільний кінець L2 не потрібен, то й індуктор L1 зі схеми можна прибрати. Неклассическое распределение магнитного поля на сверхнизких частотах. Сравнение с классическим Ті з наших читачів, хто жодного разу не звертав свою увагу на таку аномалію, будуть сильно здивовані, оскільки замість очікуваного постійного розподілу МП по довжині катушки, в реальності ми будемо спостерігати зовсім іншу картину.
Якщо піднести компас торцях L2, то можна спочатку подумати, що котушка утворила монополь, т. к. на обох її кінцях компас покаже однаковий полюс. Насправді, розподіл МП в котушці буде таким, як зображено на малюнку (2.2), де позитивні значення H відповідають одному полюса, а негативні — іншому. Це відповідає повно хвильовому розподілу класичної ДЛ з двома явними відмінностями: електричне поле (E) тут постійно по всій довжині, а графік розподілу магнітного зміщений і показується без модуля! Ці відмінності представлені на малюнках 2.3 (розподіл магнітного і електричного полів у класичній повно хвильовий ДЛ) і 2.4 (розподіл магнітного і електричного полів з повільними хвилями).
Але як таке можливо? Адже частота генератора G1 відповідає сотим часткам класичної довжини хвилі. Тут потрібно згадати, що в теорії довгих ліній швидкість поширення хвилі близько світлова, і від неї ми і відраховуємо довжину хвилі. Якщо бути більш точним, то в класиці швидкість хвилі в ДЛ вважається, як швидкість світла помножена на коефіцієнт, що враховує властивості провідника. Але для міді або навіть для ізоляції дроти це будуть величини, трохи відмінні від одиниці, але ніяк не близько 1/100. А значить, ми маємо справу з принципово іншим типом хвиль! Далі, ми продовжимо вивчення незвичайних властивостей таких полів, а самі хвилі будемо називати повільними або магнітними.

Приклад. Котушка L2 намотана дротом діаметром 2мм на пластиковий каркас діаметром 50мм. Число витків — 150. Довжина проводу — 23.5 м. Частота генератора G1 для отримання 1/4 хвилі в такий ДЛ повинна бути 3.2 МГц. Але для повільних хвиль частота генератора складе всього близько 15кГц

До речі, хоч електричне поле і відображено на рисунку (2.4), насправді являє собою дуже маленьку величину, що цілком логічно для таких низьких частот.
Індикатор магнітного поля
Для отримання більш об'єктивної картини розподілу МП з повільними хвилями одного компаса буде недостатньо. Не підійдуть і тестери точно вимірюють величину МП.
Индикатор магнитного поля показывающий направление его силовых линий
Рис.3. Індикатор МП показує напрямок його силових ліній
Справа в тому, що усі ці прилади не можуть визначати напрямок магнітних силових ліній у всіх площинах. Як ні страно, але допомогти нам у цьому зможе досить простий індикатор, схема якого представлена на малюнку зліва. На відрізок феритового стрижня завдовжки в 3-5см і проникністю 400-600НМ, намотується мідний дріт діаметром 0.3-0.4 мм в кількості 50-70 витків. До кінців таким чином намотаною котушки підпоюють два зустрічно включених світлодіода VD1, VD2. Самі світлодіоди бажано вибирати з розряду над'яскравих, на напругу 1.5 В, тоді чутливість індикатора зросте на порядок. На наступних малюнках світіння світлодіодів такого індикатора умовно будемо позначати синім і червоним кольором.
Ще кращі результати для чутливості дасть ферит, що застосовується у фільтрах харчування або — від кабелю монітора. При виборі фериту потрібно керуватися наступним принципом: у нього повинні бути два яскраво виражених полюса і він не повинен бути занадто високочастотним.
Користуватися таким індикатором також досить просто: необхідно буде проносити його вздовж досліджуваної котушки, причому, як співвісно, так і в перпендикулярної до неї площини. Про цих дослідженнях, а також про генераторі на повільних хвилях, читайте в наступному розділі.
 

© Горчилин В'ячеслав, 2018 р.
* Передрук статті можлива за умови встановлення посилання на цей сайт та додержанням авторських прав

2009-2018 © Vyacheslav Gorchilin