Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2024-09-22
Все заметки/Катушка индуктивности
Тороидальная катушка и короткие импульсы
Согласно классических представлений, магнитное поле находится внутри тороидальной катушки и не должно выходить наружу. Магнитный поток, при этом, проходит через сечение тора. Но всё меняется, когда на такую тороидальную катушку (ТК) подаётся достаточной короткий импульс. Тогда магнитное поле начинает выходить наружу, причём его амплитуда зависит от места расположения измерительной головки на катушке.
Рис.1. Схема эксперимента и графики напряжённости магнитного поля вдоль разных поверхностей тора T1
Схема нашего эксперимента представлена на рисунке 1. На тороид из ферромагнитного материала T1 наматываются два витка толстого провода, и подключаются к генератору импульсов GG1. В данном случае автор использовал следующий генератор, но можно применить любой другой, дающий хорошие значения времени фронта и спада импульса. Общая потребляемая мощность генератора составила 2-2.5 Вт при размерах торроида 80*50*25 мм. В определённых пределах, предлагаемый здесь эффект не зависел от этой мощности. Ограничения же касались предельного напряжения на выходном транзисторе генератора.
Торроид выполнен из нанокристаллина, с относительной магнитной проницаемостью ориентировочно в 130 тысяч единиц. На два намотанных на него витка подавались импульсы, осциллограмма которых изображена на рисунке 2. Самый важный момент, который нас будет интересовать, находится на первых 250 нс импульса, когда происходит его резкое нарастание и спад (рис. 3). Именно в это время проявляется нужный нам эффект возникновения магнитного поля за пределами ТК.
Измерительный прибор (измерительная головка) представляет из себя виток медного провода, диаметром 10 мм, подключённому к осциллографу. Его экспериментатор подносил к трём граням тора при включённом генераторе: P1 — верхняя грань ТК, P2 — наружная грань ТК, P3 — внутренняя грань ТК (рис.1). В зависимости от положения измерительной головки относительно двух витков обмотки, менялась амплитуда сигнала на осциллографе. Самая высокая амплитуда наблюдалась возле двух витков (рис.4), а самая низкая — напротив них. Полная зависимость амплитуды сигнала от угла наблюдения приводится на рисунке 1 (правый график).
Рис.2. Импульсы напряжения на двух витках ТК
Рис.3. Импульс напряжения на двух витках ТК (синий луч), и ток через них (жёлтый луч)
Рис.4. Импульс напряжения на ТК (синий луч) и импульс в измерительном витке (жёлтый луч)
Следует обратить внимание на длительность и форму сигнала на измерительной головке (рис.4): она не соответствует ни форме сигнала тока, ни форме сигнала напряжения на двух витках ТК (рис.3), и представляет собой производную по времени от них. Отсюда можно вывести следующую закономерность: \[ U_2 \sim {d U_1 \over d t} \tag{1}\] Здесь \(U_1\) — амплитуда на двух витках (на выходе генератора GG1), \(U_2\) — амплитуда на измерительной головке, а \(t\) — время. То есть, чем быстрее будет изменение напряжения на передающей обмотке ТК, тем больше будет амплитуда импульса на измерительной головке. Обычно, как и в нашем торроиде, ограничение по длительности импульса вызывает материал ферромагнетика, и его способность к перемагничиванию. А значит проявление эффекта зависит больше не от самого генератора, а от свойств материала ТК.
Для сравнения нужно сказать, что в классическом трансформаторе закономерность (1) выглядела бы так: \[ U_2 \sim U_1 \tag{2}\] То есть, напряжение во вторичной обмотке было бы пропорционально напряжению в первичной.
Атор считает, что появление магнитного поля за пределами ТК не может быть вызвано токами Фуко, так как те образуются вдоль плоскости листов ферромагнитного материала [1], а значит направление магнитных силовых линий должно быть строго перпендикулярным и проявляться только в плоскости P2-P3, так как тороид наматывается на заводе витками из тонких листов нанокристаллического материала. Кроме того, токи Фуко должны были бы равномерно распределить выход магнитного поля за пределы ТК по всей его окружности. В нашем эксперименте магнитное поле, выходящее за пределы ТК, направлено в разные стороны, а самое сильное — оказывается в плоскости P1. Распределение же этого поля по длине окружности получается явно неравномерным (рис.1, правый график). Такое проявление характерно только для второго магнитного поля.
Электрическое поле вокруг торроида
Также, вдоль разных поверхностей торроида была замеряна напряжённость электрического поля. В отличие от магнитного поля, электрическое поле вдоль поверхности практически не менялось: \(E(\alpha) = const\), но от самой поверхности оно зависело примерно так: P3 — 30 мВ, P1 — 55 мВ, P2 — 100 мВ. То есть, внутри тора напряжённость электрического поля была в три-четыре раза меньше, чем на его поверхности. Такое распределение поля нельзя объяснить только наводками от возбуждающей намотки, хотя они и имеют место быть.
 
1 2
Используемые материалы
  1. Википедия. Вихревые токи.