2018-12-24
Взаимная индукция бифилярных катушек при резонансе первого и второго рода
Необычные, с точки зрения классической электродинамики, результаты можно получить,
если сравнивать передачу мощности между бифилярными катушками для классического резонанса и резонанса второго рода (РВР).
При некоторых условиях, такая передача может осуществляться не только через магнитную связь и взаимосцепление, но и с помощью волновых процессов.
Описанные здесь эксперименты позволяют сделать однозначный вывод о том, что существует принципиальная разница между классическим резонансом и РВР в случае передачи энергии между катушками.
Во втором случае можно подобрать оптимальный зазор между ними, при котором передающая катушка не «чувствует» нагрузки, которая подключается к приёмной.
Для первого опыта, в качестве передающей и приёмной катушки, мы будем использовать два бифиляра: L1 и L2 соответственно.
Для второго опыта возьмём две приёмные катушки (L2.1 и L2.2) и расположим с обоих концов от передающей.
Расстояние между ними (зазор) определяет параметр d,
а внешний вид одной из катушек изображен на следующем фото.
Схема первого опыта представлена на рисунке 1. Слева — расположение катушек, справа — схема подключения.
В опыте участвуют две бифилярные катушки: L1 — передающая, L2 — приёмная.
Между катушками сделан воздушный зазор, длина которого может меняться.
Также, меняется и сопротивление активной нагрузки Rn, по напряжению на котором мы будем определять передаваемую мощность и взаимную индукцию.
Генератор GG1 формирует прямоугольные импульсы на передающей катушке L1,
которая настраивается в резонанс (классический или РВР) совместно с конденсатором C1, ёмкость которого в данном опыте составила 33нФ.
Коэффициент заполнения этих импульсов составляет 50%,
а частота находится так: для классического резонанса — по формуле Томпсона [1],
для РВР — по формуле (1.7).
Схему генератора GG1 можно взять здесь, либо применить любой другой — с похожими характеристиками. Нужно заметить, что в качестве ключевого транзистора нужно выбирать MOSFET с маленьким сопротивлением открытого канала и максимальным напряжением закрытого — не ниже 500В. Оптимально подходит 47N60. Возможно также, что параллельно его стоку-истоку понадобится установить конденсатор 400-1000пФ для минимизации самовозбуждения схемы.
ЭДС с приёмной катушки L2 поступает на диодный мост VD1, сглаживается конденсатором Cn и подаётся на активное сопротивление Rn, на котором мы и будем измерять напряжение Un.
Ниже приводится таблица значений для этого эксперимента в которой сведены такие поля:
- Род — род резонанса: I — резонанс первого рода (классический), II — РВР;
- f, кГц — частота импульсов генератора GG1 в килогерцах;
- PGG1 — мощность потребления генератора GG1 в ваттах;
- Rn — активное сопротивление Rn в килоомах;
- Un — напряжение на Rn в вольтах.
Расстояние между катушками — 0мм
Род | f, кГц | PGG1, Вт | Rn, кОм | Un, В |
I | 123 | 5 | 10 | 120 |
I | 123 | 15.7 | 1 | 106 |
II | 30 | 5 | 10 | 124 |
II | 30 | 10.1 | 1 | 80 |
Расстояние между катушками — 10мм | ||||
I | 123 | 5 | 10 | 88 |
I | 123 | 10.6 | 1 | 75 |
II | 30 | 5 | 10 | 87 |
II | 30 | 6.1 | 1 | 73 |
Расстояние между катушками — 20мм | ||||
I | 123 | 5 | 10 | 66 |
I | 123 | 7.7 | 1 | 53 |
II | 30 | 5 | 10 | 62 |
II | 30 | 4.8 | 1 | 36 |
В первой таблице мы не наблюдаем ничего необычного за исключением того, что передающая катушка меньше реагирует на нагрузку в случае с РВВ, но при этом и мощность на ней также меньше.
Следует обратить внимание на вторую таблицу, в которой приводятся данные при зазоре 10мм.
В ней уже видна явная разница в реакции первички на изменение нагрузки на вторичке:
при классическом резонансе нагрузка меняется в 10 раз, а мощность потребления GG1 изменяется почти в 2 раза;
при РВР — нагрузка меняется в 10 раз, а мощность потребления GG1 изменяется всего на 22%.
При этом мощности рассеиваемые на Rn почти одинаковые!
В третьей таблице, при РВР, уменьшение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению мощности потребления GG1, что никак не может быть объяснено классикой, правда и мощность на Rn также падает.
Во втором опыте автор расположил две приёмные катушки по обеим сторонам от передающей. Это отражено на рисунке 2.
Там же представлена и схема их подключения.
При таком включении катушек автору не удалось добиться каких-либо интересных результатов,
но тенденция уменьшения влияния нагрузки приёмной катушки на передающую, при РВР, здесь также сохранилась.
Выводы
Влияние нагрузки приёмной катушки на передающую в случае с классическим резонансом полностью укладывается в математическую модель электротехники.
Уменьшение этой нагрузки всегда приводит к увеличению потребляемой мощности задающим генератором.
В случае с РВР такой же однозначной зависимости не наблюдается.
Можно подобрать оптимальное значение зазора между передающей и приёмной катушками, при котором изменение нагрузки не будет влиять на мощность задающего генератора.
Автор делает предположение, что в этом случае энергия между катушками передаётся не только при помощи взаимного магнитного потокосцепления,
но в процессе также участвует и волновая передача.
Поэтому, при определённом зазоре происходит отражение волны от приёмной катушки с частичной рекуперацией.
Для построения оптимальной передачи энергии между катушками, по всей видимости, необходим подбор не только оптимального зазора, но и конструкции самой катушки.
Используемые материалы
- Википедия. Формула Томсона
- Википедия. Скважность