Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2020-02-04
Все заметки / Эксперименты
ЯМР и короткие импульсы
Некоторые результаты этого эксперимента вряд ли могут быть объяснены современной физикой, т.к. по классическим представлениям на запитываемой через диод схеме не может быть больше напряжение, чем напряжение питания. Сам эксперимент является продолжением серии опытов по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) в катушке индуктивности и может быть повторён в любой домашней лаборатории. Его схема приводится на рисунке (1) и включает: генератор коротких импульсов GG1, сглаживающие конденсаторы C1 и С2, развязывающий диод VD1, два вольтметра постоянного напряжения V1 и V1, источник питания U1, и, в зависимости от варианта опыта, импульсный трансформатор THV1 либо колебательный контур L1C3.
Рис.1. Схема эксперимента с двумя видами нагрузки.
Работа схемы заключается в периодическом подключении нагрузки в виде индуктивности (трансформатора THV1 либо катушки L1) ключом из GG1 к напряжению питания U1. При этом мы измеряем два напряжения: первое — напряжение питание, которое измеряется вольтметром V1, а втророе — напряжение после развязывающего диода VD1, которое измеряется вольтметром V2. Здесь нужно заметить, что V2 зашунтирован двумя конденсаторами C1 и C2, которые полностью сглаживают все возможные выбросы от работы ключа и его нагрузки. На первый взгляд здесь ничего необычного нет: напряжение V2 чуть ниже V1, ровно на столько, сколько составляет паспортное падение напряжения на диоде VD1 (в зависимости от диода оно может быть 0.4-0.8 В). Но если соблюсти некоторые условия, то напряжение V2 станет больше V1, причём это превышение может достигать значения в 1.6 раза!
Условия превышения напряжения V2 над V1
Главным условием того, что напряжение V2 станет больше V1, является достаточно короткий импульс в нагрузке, с достаточно крутым фронтом и спадом. Его может обеспечить этот генератор (GG1 по схеме), причём оптимальное расположение контактов SA1 и SA2 в нём, найденное автором, составляет «1111» и «0001» соответственно. Оптимальная тактовая частота может находиться в пределах 7-10 кГц. При этом, потенциометр R1 должен быть выведен в крайнее положение, обеспечивающее его минимальное сопротивление, а выключатель SW1 разомкнут. Всё это позволяет получить импульсы минимальной длительности и оптимальной скважностью между их пачками.
Автором замечено, что импульсы длительностью более 100 нс в данном эксперименте не работают, поэтому очень важным элементом GG1 является его выходной ключ. От значений его выходной ёмкости, фронта нарастания и спада, будут зависеть параметры превышения. Самым лучшим решением, из проверенных автором, является транзистор TF27S60 (AOTF27S60); с ним превышение напряжения может достигать значения в 60%. Хуже работает IRF3205 при котором этот параметр составил 20%. Еще слабее результаты оказались у IRF840 — 10% и менее. Полученный эффект настолько чуствительный к выходной ёмкости ключа генератора GG1, что присоединение стандартного щупа осциллографа к его стоку может уменьшить эффект на 20% и более.
Некоторые дополнительные условия будут описаны ниже.
Нагрузка в виде трансформатора
Схема опыта с такой нагрузкой представлена на рисунке (1a). Если контакт переключателя S1 разомкнут, то схема работает классическим образом и никакого превышения напряжения V2 не наблюдается. Для появления эффекта необходимо замкнуть этот контакт, тогда напряжение V2 начнёт постепенно увеличиваться. У автора, при напряжении питания 20 В и токе потребления в 2 мА, значение на вольтметре V2 достигало 32 В (с транзистором TF27S60). При этом использовался импульсный трансформатор THV1, который достаточно подробно описан здесь.
Необходимо добавить, что и другие подобные трансформаторы на ферритовых сердечниках также работали хорошо. Важно, чтобы у них было две обмотки, причём первичная должна иметь несколько витков провода, а вторичная — в несколько раз больше. Также подразумевается, что провод обмотки — медный.
Осциллограмма на стоке ключа генератора GG1, показана на рисунке (2). Там хорошо видны выбросы ЯМР длительностью порядка 50 нс, напоминающие ЭДС самоиндукции. При этом, частота их следования не так важна, т.к. она будет зависеть от выходной ёмкости транзистора. В данном случае она составила чуть более 5 МГц. Известно, что для ферритового сердечника с такой проницаемостью максимальная рабочая частота не может превышать 50-100 кГц. Именно эти выбросы и определяют эффект превышения напряжения, когда V2 становится больше V1.
Нагрузка в виде колебательного контура
Схема опыта с нагрузкой в виде колебательного контура L1C3 представлена на рисунке (1b). Плоская катушка, используемая в данном опыте, имеет индуктивность около 25 мкГн и выполнена из полностью медного провода. При том, что резонансная частота контура около 170 кГц, на осциллограмме мы можем наблюдать выбросы ЯМР порядка 50 нс. Более того, если генератор GG1 настраивать на резонансную частоту этого контура (или его гармоник), то весь эффект пропадает. Нужна определённая расстройка, которая подбирается под индивидуальный контур.
Осциллограммы на стоке ключа генератора GG1, показаны на рисунках (3-4). Тактовая частота там выбрана около 20 кГц для лучшей видимости импульсов, но более оптимальная всё же — порядка 10 кГц. На осциллограммах также хорошо виден однополярный выброс ЯМР длительностью порядка 50 нс, который и определяет предлагаемый здесь эффект.
Рис.2. Осциллограмма выбросов ЯМР на первичной обмотке импульсного трансформатора. Щуп 1:10
Рис.3. Осциллограмма выбросов ЯМР на колебательном контуре. Развёртка 500 нс. Щуп 1:10
Рис.4. Осциллограмма выбросов ЯМР на колебательном контуре. Развёртка 5 мкс. Щуп 1:10
Осциллограммы получены при заниженном напряжении питания порядка 12-15 В. При большем напряжении получить их не представлялось возможным, т.к. осциллограф выключался. При этом, ток потребления от источника питания U1 не превышал 3-4 мА. Здесь нужно учитывать, что при большой скважности, а в этом эксперименте она составляет 1000 и более, импульсный ток может иметь значения в 3-5 А.
Выводы
Путём многочисленных опытов установлено, что эффект превышения напряжения на V2 возникает только, если на индуктивной нагрузке присутствуют выбросы ЯМР, а возбуждающие её импульсы не более 100 нс по длительности. В случае классического выброса ЭДС самоиндукции, или же работы колебательного контура, эффект не наблюдается.
Также замечено, что эффект чуть лучше, если развязывающий диод VD1 установлен не по плюсу питания (как на схеме), а по минусу. Объяснить этот результат пока не представляется возможным.
В результате этого эксперимента, возможно, удалось найти один из способов съёма дополнительной энергии, вырабатываемой материалом катушки при ЯМР. Это можно сделать, например, с помощью порогового элемента, который будет «сливать» излишек напряжения в нагрузку или на самозапитку схемы, либо, в случае с трансформатором, использовать его втроичную обмотку, периодически нагружая её на диодный мост с ёмкостью, а уже затем используя полученный заряд.