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.
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