К любой, даже самой точной науке, всегда нужно относится с определённой долей юмора и здравого скепсиса, так как, спустя некоторое время, в ней может кардинально измениться буквально всё, например, направление движения тока :) С таким настроением мы подошли к трансформаторному способу передачи энергии и обнаружили, что в классическом объяснении этого принципа есть существенные нестыковки с действующей теорией, а наличие дополнительных очевидных полей там вообще не рассматривается. В этой заметке мы постараемся устранить эти неопределённости, выведем свою гипотезу и поставить для этого очень необычный эксперимент. А для большей определённости, будем здесь рассматривать классический трансформатор с ферромагнитным сердечником [1], в котором отсутствуют активные потери.

Обычно, для объяснения работы трансформатора используют закон электромагнитной индукции Фарадея [2], из которого следует, что при изменении магнитного потока в первичной обмотке и сердечнике, следует пропорциональное появление напряжения во вторичной обмотке. Но — только напряжения. А откуда там берётся ток, который не запаздывает на 90 градусов, как положено по всем законам электродинамики, а появляется сразу и пропорционально напряжению? Сама же катушка (вторичная обмотка трансформатора), при этом, превращается из реактивного элемента в активный! Как такое может быть? Здесь мы постараемся ответить на этот вопрос, а заодно определимся — как же всё-таки работает обычный трансформатор.

Применить закон Лоренца [3] в трансформаторе с магнитным сердечником не получится, т.к. практически все магнитные линии сосредоточены в этом сердечнике, а значит витки вторичной обмотки ими не пронизываются. Это, в свою очередь, означает, что свободные электроны в металле витков вторичной обмотки не сдвигаются этой силой со своих мест, следовательно, лоренцевый ток не образуется. Остаётся только закон Фарадея, который предполагает появление напряжения во вторичной обмотке. Ток же должен отставать от этого напряжения на 90 градусов, но в реальности, как вы знаете, мы наблюдаем совсем иную картину.

Давайте посмотрим на общую формулу силы Лоренца [3]: \[ \mathbf{F} = q\, \mathbf{E} + q\, \mathbf{v} \times \mathbf{B} \tag{1}\] В ней присутствуют две составляющие: электрическая (\(q\, \mathbf{E}\)) и магнитная (\(q\, \mathbf{v} \times \mathbf{B}\)). Магнитная составляющая здесь почти не работает из-за сосредоточения всех линий магнитного поля в сердечнике, о чём мы ранее уже упоминали. А электрическая составляющая описывается законом электромагнитной индукции, где напряжённость электрического поля \(\mathbf{E}\), в общем виде, находится по одному из уравнений Максвелла-Фарадея [3]: \[ \operatorname{rot} \, \mathbf{E} = -{\partial {\mathbf{B}} \over \partial t} \tag{2}\] Несмотря на запустанность этих математических закономерностей, их общий смысл всё же можно определить. Сила Лоренца возникает при изменении магнитного поля во времени (электрическая составляющая) и в пространстве (магнитная составляющая). А поскольку координата времени развёрнута относительно пространственных координат на 90 градусов (подробнее), так же, как и три пространственные координаты относительно друг друга, то в формулах (1-2) и возникают векторные величины с довольно сложными геометрическими соотношениями.

Так вот, какая бы не была замечательная электрическая составляющая (2), но в катушке трансформатора она будет просто обязана сначала развернуть магнитные домены сердечника, прежде чем в ней появится ток. Это и есть то самое отставание тока от напряжения в индуктивности, которое описывается во всех учебниках электротехники. Но ток во вторичной обмотке реального трансформатора появляется вместе с током в первичной, без отставания по фазе. Как?

Предлагаемый опыт должен сломать некоторые стереотипы в электродинамике, а его выводы — подтвердить предлагаемую далее модель переноса энергии в трансформаторе. Схема этого эксперимента состоит из передатчика и приёмника (рис. 1a). Передатчик включает в себя генератор синусоидальных сигналов U, усилитель AM1 и трансформатор на ферритовом замкнутом сердечнике L₁. Приёмник состоит из катушки L₂, резонансного конденсатора C2, и осциллографа OS1.

Генератор синусоидальных сигналов может быть любым, и выдавать минимум 1 В амплитудного значения на своём выходе. Усилитель AM1 дожен иметь симметричный выход для исключения влияния наводок. В этом плане хорошо подходит схема на TDA7056B, которую можно собрать, например, так, где на XS1 подаётся напряжение в 6-7 вольт, на XS2 — синусоидальный сигнал 1 В от любого генератора, а к XS3 подключается первичная обмотка трансформатора L₁. При этом, регулятор R1 устанавливается в положение максимального усиления в DA1.

Трансформатор L₁ дожен быть намотан на нескольких ферритовых кольцах, например так, где его первичная обмотка содержит два витка провода, а вторичная — 14-18 витков, выводы которой замыкаются друг с другом. Катушка L₂ наматывается на небольшом куске феррита от СВ и ДВ-приёмников (длиной 4-6 см), с числом витков 20-30. С помощью конденсатора C2 она настраивается в резонанс с частотой передатчика, что можно проконтролировать осциллографом OS1. Таким образом получается, что передающий трансформатор имеет замкнутый сердечник, а приёмная катушка — разомкнутый.

Трансформатор L₁ и катушку L₂ располагают перпендикулярно друг другу (рис. 1b), но так, чтобы ось намотки первичной обмотки L₁ была параллельна оси намотки L₂, и разносятся на расстояние 20 см. Передатчик начинает свою работу, при этом мощность потребления усилителя AM1 от источника питания должна быть порядка 4-5 Вт. Мы должны получить колебания приёмной катушки на экране осциллографа несмотря на то, что передающий трансформатор L₁ не должен излучать во вне никаких полей. Мало того, если вместо осциллографа подключить маломощную лампочку, то она будет светиться, если L₁ и L₂ сблизить до 1-2 см. Конечно же, КПД такой передачи энергии невысок, но, с точки зрения классики, её вообще не должно здесь быть!

Ещё один эксперимент предоставил исследователь Дмитрий С. Здесь неоновый трансформатор расположен рядом с тороидальным трансформатором, который автор называет скалярным. Несмотря на гальваническую развязку, поле тороида наводит ЭДС в обмотках неон-трансформатора, как если бы тот был просто включён в сеть. Смотрим видео:

Давайте рассмотрим эти эксперименты с точки зрения классической электродинамики. Поля за пределами трансформатора описываются формулой (2), приравненной к нулю [4, стр. 24]: \[ \operatorname{rot} \, \mathbf{E} = -{\partial {\mathbf{B}} \over \partial t} = 0 \tag{3}\] То есть, за пределами трансформатора ни вихревого электрического поля, ни магнитной индукции быть не должно, что мы обычно и наблюдаем. Этот факт, кстати, определяет его достаточно высокий КПД и отсутствие влияния на окружающие радиоэлементы. Такое положение вещей работает в некоторых пределах, за которыми начинаются другие эффекты, один из которых и представлен в эксперименте. Его подтверждает также эффект Ааронова–Бома, в котором электрон испытывает силовое воздействие за пределами классического магнитного поля [5,6].

Магнитное поле в физике появилось, как отдельная сущность, хотя это всего-лишь релятивистский эффект от движения поля электрического [7,8]. Тем не менее, поскольку это поле обладает уникальными характеристиками, его удобнее вынести в отдельную категорию, что и было сделано физиками. Но при взаимодействии двух магнитных полей, при определённых условиях, может образовываться ещё одна сущность — второе магнитное поле [4,9], также обладающее рядом необычных характеристик. Его ещё называют скалярным магнитным полем (СМП).

СМП образуется в двух случаях: при протекании тока смещения и при столкновении обычных магнитных полей с одинаковыми полюсами [9,10]. Вместе, эти два поля могут образовывать скалярную сумму векторов. На самом же деле, в любой катушке индуктивности, при протекании тока по её виткам, образуются оба поля, но с разной пропорцией. Например, в обычной цилиндрической катушке более выражено классическое магнитное поле, а в плоской катушке Тесла — СМП.

Далее, нам понадобится одно из свойств СМП — проявлять электрический заряд в веществе. Если это биологический объект, то такое поле восстанавливает заряд эритроцитов, чем повышает их подвижность, откуда и возникает его лечебный эффект [11]. Также, экспериментально подтверждено влияние СМП на рост бактерий [12]. В полупроводниках и проводниках это поле наводит электрические заряды, что обычно проявляется, как отрицательный эффект, приводящий к различным сбоям, выключениям и даже поломкам аппаратуры, наводкам в её цепях, и неправильных показаниях осциллографов при его измерении. Причём такие явления наблюдаются не только с динамическим, но и со статическим СМП, чего никак не может происходить с классическим магнитным полем.

Возвращаясь к трансформатору, нам видится следующая картина. При появлении напряжения на его первичной обмотке, на вторичной обмотке, согласно закону электромагнитной индукции, индуцируется ЭДС, пропорциональная отношению витков этих обмоток. А вот электрические заряды во вторичной обмотке — те, которые появляются сразу, а не те, которые должны ещё успеть развернуть домены сердечника, и из-за которых индуктивность является реактивным элементом, — возникают по причине наличия там СМП. Итак, электродвижущая сила во вторичной обмотке есть, заряды — тоже есть. ЭДС двигает эти заряды, что и является причиной возникновения тока одновременно с напряжением во вторичной обмотке трансформатора!

Осталось разобраться, за счёт чего в трансформаторе вообще возникает СМП. Всё зависит от нагрузки во вторичной цепи. Когда трансформатор не нагружен, в его обмотках ток отсутствует, а значит нет столкновения магнитных полей первичной и вторичной обмотки. СМП в этом случае отсутствует, а трансформация напряжения происходит по закону Фарадея. С нагруженным трансформатором картина совсем другая. Небольшая часть магнитных линий, которые всё же выходят наружу сердечника, порождают небольшой лоренцевый ток, протекающий через нагрузку. Этот ток вызывает столкновение пока слабых магнитных полей первичной и вторичной обмотки, откуда, в свою очередь, появляется слабое СМП. А дальше всё происходит по экспоненте: СМП нарастает, чем вызывает больший ток во вторичной обмотке, а он вызывает ещё большее сопротивление своему нарастанию, а значит — всё большее СМП. И так происходит до момента, пока ток не станет равен значению, обратно пропорциональному нагрузке и ЭДС (по классике). Этот переходной процесс протекает, по всей видимости, достаточно быстро и практически незаметно для внешнего наблюдателя.

К слову, принцип работы трансформатора отличается от работы дросселя именно наличием СМП, которое в дросселе почти не проявляется, а потому ток там отстаёт от напряжения классическим образом.

До сих пор мы рассматривали трансформатор и дроссель не в режиме резонанса. Резонанс в них может менять соотношение первого и второго магнитного поля, в особенности — последовательный. Этот принцип, например, реализован в однопроводной системе передачи энергии, где СМП в выходном резонансном трансформаторе генерируетет продольную волну в передающем проводнике.

Эта заметка была бы неполной, если бы мы не вспомнили искателей свободной энергии, использующих трансформаторный принцип генерации СМП для построения своих устройств. В некоторых патентах таких изобретателей присутствуют две обмотки трансформатора, где они являются главными элементами [13,14]. Если не учитывать СМП, то совершенно непонятно, зачем они так поступили и почему не обойтись, к примеру, одной обмоткой, или же вообще обойтись без индуктивностей. Автор надеется, что эта работа пролила немного света на причину таких схемотехнических решений.