2016-09-28
Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
Всі статті
2. Енергія з стоячої хвилі зі зміщенням
Раніше ми вже порівнювали дві стоячі хвилі: центр однієї з яких не рухається по осі x, а центр другий — переміщується. Ще раз підкреслимо, що і в першому і в другому випадку ми спостерігаємо стоячу хвилю.

Оскільки анімація побудована з максимальним наближенням до реальних лініях, на сторінці з прикладами вам потрібно почекати деякий час, поки не встановиться стаціонарний режим.

У попередній частині ми знайшли спосіб вираження руху центру такої хвилі — через площу зміщення або ПСВ. Тепер розглянемо деякі ефекти пов'язані з таким незвичайним рухом. Знаходитися наша хвиля буде в ідеальній довгій лінії [1] (ДЛ) — без втрат і без загасання у широким діапазоном частот. Формуватися хвиля буде спеціальним генератором Gw, який може забезпечити необхідну ПСВ. Далі ми будемо розглядати приватний напівхвильовий випадок, а значить протилежні від генератора кінці ДЛ — замкнуті (на малюнку не показано).
На малюнку 1 розглянемо роботу відбитої хвилі (вона рухається від замкнутого кінця до генератора). За правилом буравчика [2] перевіримо напрямок магнітних силових ліній і внесемо в їх полі кілька немагнітних провідників (зображені помаранчевим кольором). Будемо далі позначати скорочено немагнітні провідники — НМП.

За правилом лівої руки [3, 4] визначимо напрямок руху струму в НМП, після чого перевіримо цей же напрямок, але при русі прямої хвилі (від генератора до замкнутого кінця ДЛ). Як бачимо, напрям струму в цих провідниках не змінилося. За фактом, при русі центру хвилі, на виході НМП ми отримуємо пульсуюче постійна напруга.

На малюнку 1 червоним і синім кольором зображені симетрична (1.1) і несиметричні (1.3) ДЛ, сірим — магнітні лінії, оражневым — немагнітні провідники. Відразу обмовимося, що несиметричне ДЛ при стандартному включенні, коли оплетка йде на землю, а імпульс подається на центральну жилу, що не має зовнішнього магнітного поля. Ми ж будемо розглядати інший спосіб її включення, коли на центральну жилу подається земля, а на оплітку — імпульс. Як несиметричною ДЛ може виступати і звичайний дріт, в цьому випадку загальний провід Gw і другий кінець цього дроту з'єднуються з землею.

Симметричная и несимметричная ДЛ. Внесение немагнитных проводников в магнитное поле длинной линии
Рис. 1. Симетрична і несиметрична ДЛ (1.1, 1.3). Внесення немагнітних провідників в магнітне поле ДЛ (1.2, 1.4)
Якщо тепер підключити НМП до навантаження, то навколо нього також буде утворено магнітне поле, але його лінії будуть перпендикулярні лініям поля ДЛ. Як бачимо, у такому включенні вплив перпендикулярних провідників один на одного зведено до мінімуму.
Отримуємо електричну енергію. Хвильовий генератор
Виходячи з отриманих висновків тепер ми можемо скласти деякі конструктивно-схемотехнічні рішення знімання енергії в навантаження. На малюнку 2.1 представлена загальна схема. Тут синім кольором зображено несиметрична ДЛ, перпендикулярно осі якої розташовані знімні НМП (помаранчевий колір). Оскільки напруга на останніх буде пульсуюче постійне, то для розв'язки ланцюга необхідно з одного боку НМП включити діоди (VD1-VDn), а з іншого — з'єднати всі НМП загальним проводом.
Ланцюга генератора Gw і навантаження Rn повинні бути електрично розв'язані, інакше електричні поля ДЛ навідні індуковані заряди на НПМ, будуть йти через навантаження. Незважаючи на це, все ж може знадобитися періодичний скидання з ланцюга навантаження накопичився щодо землі заряду, наприклад, за допомогою розрядника. Якщо напруги на НМП вийдуть маленькі, близько 1-4, то є сенс послідовно з навантаженням включити джерело напруги (близько одного вольта).
Конструктивно-схемотехнические решения съёма электрической энергии с длинной линии
Рис. 2. Конструктивно-схемотехнічні рішення знімання електричної енергії з ДЛ.
* Малюнок можна відкрити в повному масштабі натиснувши на нього.
Схема на рис. 2.1 матиме досить великі розміри і зовсім не конструктивна у виконанні. На рисунку 2.2 зображено більш компактний варіант цього пристрою. Тут ДЛ намотаний на каркас котушки (сірий колір), а НМП разом з діодами розташовуються у неї всередині. Недоліком цього виконання можна вважати більше число гармонік в генераторі Gw для формування хвилі. Перевага — захоплення в тому числі і поздовжньої хвилі, яка за фактом утворюється в несиметричною ДЛ виконаної у вигляді котушки [5].
Підрахунок вихідної потужності
З першої частини ми вже знаємо, як знаходиться ПСВ. Для числа гармонік \N \le 12\) формула для ПСВ буде такою: \[S \approx 8 a^2 \sum_{i=1}^{N} { i^2 (i-1)^2 \over (2i-1)^2} \qquad (2.1) \] а для \N \ge 12\): \[S \approx 2 a^2 \left({N^3 \over 3} + {N^2 \over 2} + {N \over 6}\right) \qquad (2.2)\] Тут: \(a^2\) — квадрат амплітуди гармоніки, або її енергія, а \(S) — ПСВ, або загальна енергія зміщення ДЛ. Нагадаємо, що ці формули розраховані для полуволнового випадку, коли амплітуда всіх гармонік однакова. Вважаючи, що навантаження узгоджена з системою НМП, можна представити формулу потужності одержувану на навантаженні: \[P = k \ f \ S \qquad (2.3) \] Тут \k \) — коефіцієнт, куди входить абсолютна і відносна магнітна проникність, швидкість переміщення хвилі, хвильовий і навантажувальне опір, конструктивні особливості реального пристрою: довжина НМП, їх кількість і місцезнаходження; \(f\) — частота задаючого генератора. Формула (2.3) показує лінійну залежність вихідної потужності від площі зсуву хвилі та частоти. З неї, зокрема, слід, що при одній і тій же загальній потужності генератора Gw (вхідній потужності), велику вихідну потужність буде мати пристрій з великим числом гармонік. Коли це число досить велике, то питома \(P\) буде приблизно пропорційна \N\). Значення \(S) для квазипрямоугольных імпульсів можна взяти тут.
Тепер, знаючи загальні принципи побудови пристроїв на основі зміщення центру стоячої хвилі, наші читачі можуть самостійно придумати свої власні конструктивні та схемотехнічні рішення. Будемо раді, якщо деякі з них ви надішлете нам — ми їх обов'язково опублікуємо тут.
 
Використовувані матеріали

Горчилин В'ячеслав, 2016 р.
* Передрук статті можлива за умови встановлення посилання на цей сайт та додержанням авторських прав

« Назад
2009-2018 © Vyacheslav Gorchilin