Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
2020-02-04
Всі статті / Експерименти
ЯМР і короткі імпульси
Деякі результати цього експерименту навряд чи можуть бути пояснені сучасною фізикою, т. к. за класичним уявленням на запитываемой через діод схемою не може бути більша напруга, ніж напруга живлення. Сам експеримент є продовженням серії дослідів з ядерного магнітного резонансу (ЯМР) у котушці індуктивності і може бути повторений у будь-який домашній лабораторії. Його схема приводиться на малюнку (1) і включає: генератор коротких імпульсів GG1, згладжуючі конденсатори C1 і С2, що розв'язує діод VD1, два вольтметра постійної напруги V1 і V1, джерело живлення U1, і, залежно від варіанту досліду, імпульсний трансформатор THV1 або коливальний контур L1C3.
Рис.1. Схема експерименту з двома видами навантаження.
Робота схеми полягає в періодичному підключенні навантаження у вигляді індуктивності (трансформатори THV1 або котушки L1) ключем з GG1 до напруги живлення U1. При цьому ми вимірюємо дві напруги: перше — напруга харчування, яке вимірюється вольтметром V1, а втророе — напруга після розв'язує діода VD1, яка вимірюється вольтметром V2. Тут потрібно зауважити, що V2 зашунтирован двома конденсаторами C1 і C2, які повністю згладжують всі можливі викиди від роботи ключа та його навантаження. На перший погляд тут нічого незвичайного немає: V2 напруга трохи нижче V1, рівно на стільки, скільки становить паспортне падіння напруги на діоді VD1 (в залежності від діода воно може бути 0.4-0.8 В). Але якщо дотримати деякі умови, то напруга V2 стане більше V1, причому це перевищення може досягати значення в 1.6 рази!
Умови перевищення напруги V2 над V1
Головною умовою того, що напруга V2 стане більше V1, є досить короткий імпульс в навантаженні, з досить крутим фронтом і спадом. Його може забезпечити цей генератор (GG1 за схемою), причому оптимальне розташування контактів SA1 і SA2 в ньому, знайдене автором, становить «1111» і «0001» відповідно. Оптимальна тактова частота може перебувати в межах 7-10 кГц. При цьому, потенціометр R1 повинен бути виведений в крайнє положення, що забезпечує його мінімальний опір, а перемикач SW1 розімкнений. Все це дозволяє отримати імпульси мінімальної тривалості та оптимальної шпаруватістю між їх пачками.
Автором відмічено, що імпульси тривалістю понад 100 нс в даному експерименті не працюють, тому дуже важливим елементом GG1 є його вихідний ключ. Від значень його вихідний ємності, фронту наростання та спаду, будуть залежати параметри перевищення. Найкращим рішенням, з перевірених автором, є транзистор TF27S60 (AOTF27S60); з них перевищення напруги може досягати значення в 60%. Гірше працює IRF3205 при якому цей параметр склав 20%. Ще слабше результати виявилися у IRF840 — 10% і менше. Отриманий ефект настільки чуствительный до вихідний ємності ключа генератора GG1, що приєднання стандартного щупа осцилографа до його стоку може зменшити ефект на 20% і більше.
Деякі додаткові умови будуть описані нижче.
Навантаження у вигляді трансформатора
Схема досліду з таким навантаженням представлена на малюнку (1a). Якщо контакт перемикача S1 розімкнений, то схема працює класичним чином і ніякого перевищення напруги V2 не спостерігається. Для появи ефекту необхідно замкнути цей контакт, тоді напруга V2 почне поступово збільшуватися. У автора, при напрузі живлення 20 В і струмі споживання в 2 мА, значення на вольтметре V2 сягала 32 (з транзистором TF27S60). При цьому використовувався імпульсний трансформатор THV1, який досить докладно описаний тут.
Необхідно додати, що й інші подібні трансформатори на феритових сердечниках також працювали добре. Важливо, щоб у них було дві обмотки, причому первинна повинна мати кілька витків дроту, а вторинна — у кілька разів більше. Також мається на увазі, що дріт обмотки — мідний.
Осцилограма на стоці ключа генератора GG1, показана на малюнку (2). Там добре видно викиди ЯМР тривалістю близько 50 нс, що нагадують ЕРС самоіндукції. При цьому, частота їх проходження не так важлива, оскільки вона буде залежати від вихідний ємності транзистора. В даному випадку вона склала трохи більше 5 МГц. Відомо, що для феритового сердечника з такою проникністю максимальна робоча частота не може перевищувати 50-100 кГц. Саме ці викиди і визначають ефект перевищення напруги, коли V2 стає більше V1.
Навантаження у вигляді коливального контуру
Схема досліду з навантаженням у вигляді коливального контуру L1C3 представлена на малюнку (1b). Плоска котушка, використовувана в даному досвіді, має індуктивність близько 25 мкГн і повністю виконана з мідного дроту. При тому, що резонансна частота контуру близько 170 кГц, на осцилограмі ми можемо спостерігати викиди ЯМР порядку 50 нс. Більш того, якщо генератор GG1 налаштовувати на резонансну частоту цього контуру (або його гармонік), то весь ефект пропадає. Потрібна певна розлад, яка підбирається під індивідуальний контур.
Осцилограми на стоці ключа генератора GG1, показані на малюнках (3-4). Тактова частота там обрана близько 20 кГц для кращої видимості імпульсів, але більш оптимальна все ж — близько 10 кГц. На осциллограммах також добре видно однополярний викид ЯМР тривалістю близько 50 нс, який і визначає пропонований тут ефект.
Рис.2. Осцилограма викидів ЯМР на первинній обмотці імпульсного трансформатора. Щуп 1:10
Рис.3. Осцилограма викидів ЯМР на коливальному контурі. Розгортка 500 нс. Щуп 1:10
Рис.4. Осцилограма викидів ЯМР на коливальному контурі. Розгортка 5 мкс. Щуп 1:10
Осцилограми отримані при заниженому напрузі живлення близько 12-15 Ст. При більшій напрузі отримати їх не представлялося можливим, оскільки осцилограф вимикався. При цьому, струм споживання від джерела живлення U1 не перевищував 3-4 мА. Тут потрібно враховувати, що при великій шпаруватості, а в цьому експерименті вона становить 1000 і більше, імпульсний струм може мати значення у 3-5 А.
Висновки
Шляхом численних дослідів встановлено, що ефект перевищення напруги на V2 виникає тільки, якщо на індуктивному навантаженні присутні викиди ЯМР, а збуджують її імпульси не більше 100 нс по тривалості. У випадку класичного викиду ЕРС самоіндукції, або ж роботи коливального контуру, ефект не спостерігається.
Також помічено, що ефект трохи краще, якщо розв'язуються діод VD1 встановлений не по плюса харчування (як на схемі), а по мінусу. Пояснити цей результат поки не представляється можливим.
В результаті цього експерименту, можливо, вдалося знайти один із способів знімання додаткової енергії, що виробляється матеріалом котушки при ЯМР. Це можна зробити, наприклад, за допомогою порогового елемента, який буде «зливати» надлишок напруги в навантаження або на самозапитку схеми, або, у випадку з трансформатором, використовувати його втроичную обмотку, періодично навантажуючи її на діодний міст з ємністю, а вже потім використовуючи отриманий заряд.