Введение.

Исходя из выбранного способа описания технического решения, должны учитываться характеристика и критика наиболее близкого технического решения (прототипа). Однако пока ещё как бы “гипотетические” продольные волны электрического поля в системах связи ещё не нашли своего практического применения, поэтому в качестве прототипа технического решения возможно выбрать систему связи с использованием электромагнитного излучения – поперечных электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве со скоростью света и ограниченных по проникающей спосособности. Поток энергии этого излучения направлен перпендикулярно к его электрическому и магнитному полям (в случае волн электростатического поля поток энергии напрален вдоль силовых линий напряжённости электрического поля заряда).

Возможно предположить, что продольные волны электрического поля заряда распространяются в пространстве подобно лучам света (некоторые линии напряжённости поля электрического заряда, не замкнутые на другой электрический заряд, уходят в бесконечность), но во много раз быстрее скорости света. Что определяет необходимость экспериментального исследования свойств продольных волн электрического поля заряда, в том числе, по скорости распространения, их генерации и проникающей способности.

В то же время напряжённость электрического поля, создаваемого действующим значением величины электрического заряда, в точке пространства на заданном расстоянии, определяется отношением величины заряда к квадрату этого расстояния, что исходно предопределяет трудности в создании системы связи на продольных волнах электрического поля, поскольку плотность энергии электрического поля (а именно её следует учитывать) в месте установки детектора этого поля будет уже не обратно пропорциональна квадрату расстояния до дектора поля, а обратно пропорциональна четвёртой степени этого расстояния (поскольку плотность энергии электрического поля равна 0,5 от известной величины электрической постоянной – 8,85∙10^-12ф/м, умноженной на квадрат напряжённости электрического поля в месте установки детектора поля. А, как уже отмечено, напряжённость электрического поля на расстоянии от заряда обратно пропорциональна квадрату этого расстояния. При электромагнитном способе детектирования поля это поле уменьшается обратно пропорционально расстоянию до детектора поля лишь в первой степени).

В статье изложены сущность технического решения, его отличительные признаки от прототипа, примеры конкретного выполнения отдельных узлов и элементов. При этом каждый раздел описания технического решения излагается в виде отдельного абзаца (независимо от его размера, как этого обычно требуют правила к описанию изобретения).

В данное время в вопросе установления основных свойств продольных волн электрического поля мы находимся ниже уровня Герца, экспериментально определившего свойства электромагнитного излучения.

Краткое содержание.

К практическому применению предлагается система связи, содержащая передатчик для преобразования сообщения отправителя о некотором событии или явлении в сигнал связи без проводов, выполненный с применением источника тока, узла генерации физического переносчика сигналов в составе задающего генератора незатухающих электрических колебаний, излучающей антенны и датчика-преобразователя физического действия в электрические сигналы – модулятора, который соединён выходом с входом задающего генератора, причём входы электропитания задающего генератора и модулятора соединены с источником тока; а также содержащая канал связи, приёмник для обратного превращения поступающих по каналу связи сигналов в сообщение, выполненный с применением источника тока, приёмной антенны и избирательного колебательного контура, выход которого соединён через разделительный конденсатор с последовательно установленными потенциальным усилителем и узлами демодуляции, усиления выделенного модулирующего сигнала передатчика и превращения его в требуемую форму потребления получателем.

Отличительная особенность предлагаемой системы связи от описанного таким способом прототипа состоит в том, что излучающая антенна передатчика выполнена с применением пластинчатого моноэлектрета и охватывающего его электропроводного экрана, наружные плоские поверхности которого, параллельные себе, образуют направления распространения в пространстве силовых линий напряжённости электрического поля, в том числе, в канале связи; в узел генерации физического переносчика сигналов введён ключ коммутации экрана моноэлектрета с “землёй”, выполненный в примере в виде активного сопротивления в заданном значении и последовательно с ним соединённого магнитного полупроводника, и связанного с последним по управлению импульсного магнита, вход управления которого соединён с выходом задающего генератора незатухающих электрических колебаний, например, электрических импульсов заданной амплитуды, длительности и межимпульсных пауз; приёмная антенна приёмника в примере выполнена в виде стержневого вибратора с установкой на внешних концах стержней плоских электропроводных пластин, параллельных между собой и установленных своими плоскостями перпендикулярно каналу связи передатчика с приёмником, причём внутренние концы стержневого вибратора соединены через, например, коаксиальный кабель с ампер-витками, размещёнными на разомкнутом на одном участке ферритовом тороиде-магнитопроводе из магнитострикционного материала, на котором также размещены первая и вторая обмотки возбуждения, электрический конденсатор, обкладки которого присоединены к магнитопроводу на участке его размыкания, и два магнитных полупроводника, которые установлены между обкладками конденсатора, например, путём крепления на зафиксированной на участке размыкания тороида ферромагнитной пластинке или же к одной из обкладок конденсатора, первая обмотка возбуждения соединена с выходом первого управляемого источника тока для образования поляризации магнитопровода, вторая обмотка возбуждения соединена с выходом второго управляемого источника тока, вход управленич которого соединён с выходом дополнительно введенного датчика температуры, чувствительный элемент которого установлен на магнитопроводе; магнитные полупроводники включены в мостовую схему, содержащую, кроме того, два управляемых резистора, причём выходы резисторов и магнитных полупроводников включены соответственно в первой и во второй паре противоположных плеч мостовой схемы, третий источник тока включен в диагональ питания мостовой схемы, в измерительную диагональ которой включен избирательный колебателльный контур, а также в приёмник введён управляемый генератор электрических импульсов, выход которого соединён с конденсатором на участке размыкания магнитопровода.

Детальное описание.

На рис. I представлена принципиальная схема системы связи.

Система связи содержит передатчик Пер для преобразования сообщения отправителя о некотором событии или явлении в сигнал связи без проводов, выполненный с применением источника ИТ тока и узла I генерации физического переносчика сигналов–модулированных низкой частотой продольных волн электрического поля.

Узел I генерации физического переносчика сигналов выполнен в составе задающего генератора ЗГ незатухающих электрических колебаний, например, электрических импульсов заданной амплитуды, длительности и межимпульсных пауз, датчика-преобразователя ДП физического действия в электрические сигналы – модулятора, который соединен выходом с входом задающего генератора ЗГ для модуляции незатухающих электрических колебаний, излучающей антенны ИА, выполненной с применением пластинчатого моноэлектрета 2, например, в форме пластины из полимерного диэлектрика, поверхности которой заряжены одним знаком вмороженных зарядов (или же это может быть иная пластина, оклеенная моноэлектретами), и охватывающего моноэлектретную пластину 2 электропроводного экрана 3, наружные плоские поверхности которого в перпендикуляре к себе образуют направления распространения силовых линий напряженности в волнах электрического поля, в том числе, в канале связи КС – в воздушно-вакуумной среде, и ключа коммутации КК экрана 3 с “землей” “З”, выполненного в примере в виде активного сопротивления в заданном значении (на рис. 1 не показано) и последовательно с ним соединённого магнитного полупроводника МП, например, с Z -образной характеристикой, и связанного с ним по управлению импульсного магнита 4, вход управления которого соединен с выходом задающего генератора ЗГ. Выходы источника тока ИТ соединены с входами электропитания задающего генератора ЗГ и датчика-преобразователя ДП – модулятора.

Система связи содержит также приемник Пр для обратного превращения поступающих по каналу связи КС сигналов в сообщение, выполненный с применением источников тока ИТ 1, ИТ 2, ИТ 3, избирательного колебательного контура ИКК, выход которого через разделительный конденсатор Ср соединен с последовательно установленными потенциальным усилителем ПУ, узлами демодуляции УД, усиления У выделенного модулирующего сигнала и узлом превращения УП этого сигнала в требуемую форму потребления получателем; приемной антенны ПА, которая выполнена в виде стержневого вибратора с закреплением на внешних концах стержней плоских электропроводных пластин 5, 6, установленных плоскостями перпендикулярно каналу связи КС, причём внутренние концы стержней вибратора через , например, коаксиальный кабель 7 (на рис. 1 кое-что из этого упрощено или вовсе не показано) соединены с ампер-витками а-b на разомкнутом на одном участке ферритовом тороиде 8 – магнитопроводе из магнитострикционного материала, на котором также размещены первая и вторая обмотки возбуждения 9, 10, электрический конденсатор С, обкладки которого присоединены к магнитопроводу 8 на участке его размыкания, и два магнитных полупроводника МП1, МП2 – в примере с Z – образной характеристикой, которые установлены между обкладками конденсатора С, например, путем крепления на зафиксированной в пространстве ферромагнитной пластине ФП или же к одной из обкладок конденсатора С (на рис.I установка магнитных полупроводников МП1, МП2 не показана), причем первая обмотка возбуждения 9 на магнитопроводе 8 соединена с выходом первого управляемого источника тока ИТ1 для образования задаваемой величины поляризации – подмагничивания магнитопровода 8, вторая обмотка возбуждения 10 соединена с выходом второго управляемого источника тока ИТ2, вход управления которого соединен с выходом дополнительно введенного датчика температуры ДТ, чувствительный элемент ЧЭ которого установлен на магнитопроводе 8.

Путем регулирования тока во второй обмотке возбуждения 10 в функции температуры, и тем самым дополнительного подмагничивания магнитопровода 8, обеспечивается стабильное начальное удельное сопротивление каждого из магнитных полупроводников МП1, МП2.

Магнитные полупроводники МП1, МП2 включены в мостовую схему МС, содержащую, кроме того, два управляемых резистора R1, R2, причем выходы резисторов R1, R2 и магнитных полупроводников МП1, МП2 включены соответственно в первой и во второй паре противоположных плеч мостовой схемы МС. Третий источник тока ИТ3 подключен выходами к диагонали питания мостовой схемы МС, к входам электропитания потенциального усилителя ПУ, узлов демодуляции УД, усиления У и УП – превращения сигнала в требуемую форму потребления, управляемого генератора УГ и датчика температуры ДТ. Избирательный колебательный контур ИКК включен в измерительную диагональ мостовой схемы МС. А также в приемник ПР дополнительно введен управляемый генератор УГ электрических импульсов, выход которого соединен с конденсатором С на разомкнутом участке магнитопровода 8.

Подача электрических импульсов от управляемого генератора УГ к конденсатору С в примере может осуществляться электропроводными полосками заданной толщины и магнитострикции, приклеенными ферропастой или нанесёнными с применением высоких технологий на материал тороида 8 – феррит с высоким удельным сопротивлением и таким образом, чтобы контакты их присоединения к генератору УГ оказывались в середине длины разомкнутого тороида 8, т.е. в узле стоячей волны звука, где также расположена точка крепления тороида 8 в приёмнике Пр (на рис. 1 не показано). Эти электропроводные полоски должны быть настолько тонкими и пластичными, чтобы они не снижали добротность тороида 8 как вибратора, возбуждаемого на одной из собственных гармоник (на собственной частоте свободного тороида 8).

Выбор материала тороида 8 – феррита, например, с отрицательной магнитострикцией, производится таким образом, чтобы напряжённость Н магнитного поля в тороиде 8, задаваемая обмоткой возбуждения 9, соответствовала крутому возрастающему участку кривой намагничивания, определяющей зависимость магнитной индукции В от напряжённости Н магнитного поля. При этом кривая магнитной проницаемости μ_ф феррита также должна быть круто возрастающей. Феррит не должен входить в область насыщения. Из–за чего μ_ф не может быть равной единице – она значительно больше единицы (известны ферриты с μ_ф начальное – 100000, μ_ф макс. – 1500000). Чем самым достигается высокое индуктивное сопротивление Х_i ампер-витков и требуемая длительность каждого полупериода тока J в ампер-витках, размещённых свободно на тороиде 8.

Формулы для расчётов: . Где:
.

Где: f – частота тока J в ампер-витках (в гц). L – индуктивность ампер-витков (в гн).

Полезно иметь в виду, что на ферритовом тороиде 8 с воздушным размыкателем – зазором γ (например, γ = 1мм = 10^-3м) индуктивность L ампер-витков с их числом W, например, выбираемым от 10 (W ≥ 10), практически не зависит от магнитной проницаемости μ_ф , которая изменяется при изменении тока J в ампер-витках.

L =W² ∙ μ₀ ∙ S_ф / γ. Где: S_ф – сечение феррита, например, S_ф = 10^-4 м².

Напряжённость Н магнитного поля на разомкнутом участке – в воздушном зазоре γ тороида 8 определяется как Н = 0,8 · В. В = Н/0,8.

Произведение магнитной индукции В в тороиде 8 – феррите на площадь S_ф сечения феррита, перпендикулярную вектору магнитной индукции В, называют магнитным потоком Ф. Ф = В∙S_ф (в вб).

На участке размыкания тороида 8 магнитный поток Ф пронизывает магнитные полупроводники МП1, МП2, которые исходно подобраны по площади и чувствительности таким образом, что при заданной постоянной магнитной индукции В = Н/0,8 в воздушном зазоре тороида 8 они приводятся к максимальной чувствительности к изменениям магнитного поля, вызванным воздействием тока J в ампер-витках и электрического поля в конденсаторе С. Чем самым выбирается рабочая точка на характеристике сопротивлений магнитных полупроводников МП1, МП2.

Намагничивающая сила F_м ампер-витков, размещаемых в пучности стоячей волны, определяется уравнением: F_м = J∙W = Н∙l₀.

Где l₀ – длина пучности стоячей волны звука в тороиде 8. Тогда Н = J∙W/l₀ .

Следует также иметь в виду, что вихревое магнитное поле в конденсаторе С практически не влияет на изменение сопротивлений магнитных полупроводников МП1, МП2, т.к. оно не является перпендикулярным чувствительной площади каждого из магнитных полупроводников МП1, МП2.

Например, напряжённость Е = 10 в/м электрического поля создаёт заряд q = 1,1∙10^-5 кл излучающей антенны ИА, расположенной в 100 метрах от приёмной антенны ПА. В самом деле, пусть расстояние между пластинами 5,6 антенны ПА равно 1 м, расстояние r₁ = 99 м от излучающей антенны ИА и до пластины 5 приёмной антенны ПА, расстояние r₂ = 100 м от антенны ИА и до пластины 6 антенны ПА. Тогда электрический потенциал U₁ для пластины 5 составит:

U₁ = k∙q/r₁ = 9∙10⁹ ∙1.1∙10^-5/99 = 1000(в) Для пластины 6 электрический потенциал составит: U₂ = k∙q/r₂ =9∙10⁹ ∙1.1∙10^-5/100 = 990(в). Разность потенциалов ∆U = U₁-U₂ =1000-990 = 10 (в), которая соответствует напряжённости электрического поля Е = 10 в/м.

Выберем, например, суммарную площадь S поверхностей (двух сторон) каждой из пластин 5, 6 равной 0,5 м² (S = 0,5 м² = 5∙10³ см²), которая соответствует площади поверхности шара с радиусом 20 см. Так как ёмкость шара в пф пропорциональна его радиусу в см, то ёмкость Сn каждой из пластин 5, 6 – 20 пф (Сn = 20пф = 20 ∙10^-12ф).

Максимальный заряд q_n, который может сосредоточится на одной из пластин 5, 6, определится из уравнения: q_n = C_n ∙∆U = 20∙10^-12 ∙10 = 2∙10^-10(кл).

Полный заряд q_n на одной из пластин 5, 6 определяет ток J в ампер-витках, образованных проводником 7.

J = q_n/t. Где: t – постоянная времени (в сек), с которой ток J нарастает и убывает в течение каждого полупериода, соответствующего по длительности времени включения (и отключения) электрического поля излучающей антенны ИА.

J = q_n /t = 2∙10^-10 /t.

Теперь мы имеем необходимые расчётные формулы для определения параметров магнитной цепи (сведения относительно частоты f представлены ниже).

Система связи работает следующим образом.

Задающий генератор ЗГ передатчика Пер вырабатывает электрические импульсы заданной амплитуды, длительности и межимпульсных пауз, подаваемые на вход управления импульсного магнита 4 в ключе коммутации КК экрана 3 моноэлектрета 2
с “землей” “З” (или противовесом).

Как было определено еще Ш. Кулоном, если электрический заряд (в нашем случае – моноэлектрет 2) находится внутри замкнутой проводящей полости-экрана 3, то индукционные заряды возникают как на внутренних, так и на внешних поверхностях экрана 3. Причем на внешних плоских поверхностях экрана 3 возникают заряды того же знака, что и заряды моноэлектрета 2. Индукционные заряды на внешних плоских поверхностях экрана 3 вызывают электрическое поле во внешнем пространстве. Таким образом, замкнутая проводящая поверхность экрана 3 не экранирует поле электрического заряда-моноэлектрета 2, помещенного внутри экрана 3. Электрическое поле экрана 3 во внешнем пространстве действует как на электрические заряды, помещенные в это поле, так и на нейтрально заряженные тела, в которых суммарный заряд равен нулю, с некоторой силой. Но если экран 3 соединить с “землей” “3″, действие кулоновской силы прекращается.

Таким образом, с помощью управляемого ключа коммутации КК экрана 3 с “землей” “3″ возможно включать и отключать электрическое поле экрана 3, действующее во внешнем пространстве, уничтожать или создавать с заданной частотой действие силы электрического поля на заряды в помещенном в это поле теле приемной антенны ПА приемника Пр, а тем самым индуцировать заряды на пластинах 5, 6 и создавать ток в антенне ПА.

Сами по себе незатухающие электрические колебания задающего генератора ЗГ и излучающей антенны ИА передатчика Пер не содержат каких-либо сообщений (кроме скорости распространения). Чтобы заставить их переносить сообщения, т.е. превратить в сигналы связи, необходимо осуществить модуляцию относительно высокочастотных электрических колебаний, играющих роль переносчика сообщений.

Импульсная модуляция производится в передатчике Пер и заключается, в примере, в воздействии на частоту задающего генератора ЗГ в соответствии с передаваемым сообщением. Метод частотной модуляции предусматривает строгое постоянство амплитуды генерируемых задающим генератором ЗГ электрических импульсов.

Демодуляция производится в приемнике Пр и заключается, в примере, в воздействии на избирательный колебательный контур ИКК приемника Пр и его узел демодуляции УД. В процессе передачи информации несущая частота передатчика Пер (т.е. длительность импульсов и межимпульсных пауз) всё время меняется – то приближается, то удаляется от резонансной (собственной) частоты колебаний колебательного контура ИКК приемника Пр. При резонансе, когда частота собственных колебаний контура ИКК согласована с частотой поступающих через канал связи КС сигналов, амплитуда электрических колебаний в контуре ИКК возрастает и эти изменения амплитуды электрических колебаний через выход колебательного контура ИКК поступают в прочие узлы приемника Пр для последующей обработки.

Используемые в передатчике Пер – в ключе коммутации КК и в приемнике Пр – в мостовой схеме МС магнитные полупроводники МП, МП1, МП2 в примере могут быть, как уже отмечено, выполнены с Z – образной характеристикой (антиферромагнетики).

Антиферромагнетики характеризуются проявлением гетерофазной локализации. При гетерофазной локализации электроны проводимости совершенно самопроизвольно собираются в каких-то отдельных частях кристалла – полупроводника. И когда их концентрация в этих частях повысится настолько, что электроны будут в состоянии установить ферромагнитное упорядочение, они его установят. В результате кристалл, который был по своей природе однороден, распадается на области ферромагнитные и антиферромагнитные. Все электроны проводимости, какие только были в кристалле, оказываются сосредоточенными в ферромагнитных его частях. В антиферромагнитных частях кристалла их совершенно не остается. Если исходно электронов не очень много, то они скапливаются в небольших изолированных друг от друга ферромагнитных областях, основная часть кристалла остается антиферромагнитной, а сам кристалл обладает очень низкой проводимостью, т.е. электроны под действием электрического напряжения не могут двигаться по кристаллу, образуя электрический ток.

В то же время при наложении на кристалл внешнего магнитного поля электроны, ранее запертые в ферромагнитных областях, теперь растекаются по всему кристаллу, образуя тем самым токопроводящие каналы. При достижении внешнего магнитного поля достаточно высокой напряженности, последнее делает весь кристалл ферромагнитным, исчезает причина для сосредоточения электронов в отдельных областях и он станет по крайней мере на десять порядков более проводящим. При этом вплоть до самых низких температур электроны способны двигаться по кристаллу и переносить ток.

График зависимости удельного сопротивления магнитного полупроводника от напряженности управляющего магнитного поля (и температуры) выглядит следующим образом: в начале увеличения напряженности магнитного поля (перпендикулярного площади магнитного полупроводника) удельное сопротивление магнитного полупроводника очень велико – порядка 10⁸ ∙ ом ∙ см и более. Что позволяет использовать магнитный полупроводник МП в качестве разрядного сопротивления в ключе коммутации КК, поскольку при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля удельное сопротивление магнитного полупроводника очень быстро убывает примерно до величины 10^-2 ом ∙ см.

Использование магнитных полупроводников МП1, МП2 в мостовой схеме МС позволяет производить управление сопротивлением этих магнитных полупроводников очень малой добавочной напряженностью магнитного поля на разомкнутом участке тороида 8.

Используемый в приемнике Пр разомкнутый на одном участке ферритовый тороид 8 – магнитопровод из магнитострикционного материала характеризуется собственной частотой упругих колебаний, определяемой по формуле: .

Где: f – собственная частота свободного тороида (в гц).

п =1, 2, 3,… V – скорость упругой волны в тороиде (порядка 4785 – 5320 м/с).

l – длина разомкнутого тороида по средней линии (в м). Тогда, если п = 1 (основная собственная частота тороида), а l = 5∙10^-2 м, то f = 47,85 – 53,2 кгц.

При п = 3, f =143,55 – 159,6 кгц.

На рис. 2 представлены диаграммы резонансного возбуждения колебаний в тороиде 8.

Длина волны звука λ = v/f в тороиде 8 при n = 1 – порядка 10 см, при n = 3 — 3,3 см.

a). Концы тороида 8 колеблются по гармоническому закону от действия импульсов напряжения на конденсаторе С (см. рис. 1), размещённом на участке размыкания тороида 8. При этом в тороиде 8 устанавливается стоячая волна, узлы и пучности которой обозначены соответственно буквами У и П (см. рис. 2). На тороиде 8 длиной 5 см. укладывается половина длины (λ= 10 см) волны звука, т.е. 1×5 см, если частота подачи импульсов напряжения на конденсатор С соответствует частоте порядка 47,85 кгц.

На рис. 2 импульсы возбуждения тороида 8, образуемые конденсатором С на разомкнутом участке тороида 8, показаны условно – как максимумы воздействий, образованные притяжениями разноимённо заряженных обкладок конденсатора С и вызывающие укорачивание по концам тороида 8 (на очень незначительную величину). В середине длины 5 см тороида 8 образуется узел «У» смещений стоячей волны (точка крепления ТК тороида 8 в приёмнике ПР).

b). При n = 3 на тороиде 8 укладывается три половины длины волны звука, т.е. 3×1,66 см. И так же – в середине длины 5 см тороида 8 образуется узел смещений стоячей волны.

c). Указан в один полупериод тока J в ампер-витках максимум амплитуды А колебательного воздействия на тороид 8. (Примечание: по рис. 1 положение ампер-витков в пучности стоячей волны не определяется). Эти воздействия на тороид 8 соответствуют частоте f порядка 143,55 кгц.

d). Максимумы воздействий на тороид 8 от конденсатора С и ампер-витков а-b складываются, если они действуют одновременно. Амплитуды колебаний в пучностях П стоячей волны увеличиваются, если частота образования суммарного воздействия соответствует частоте порядка 143,55 кгц.

Приведём численный пример с использованием обозначенных выше расчётных формул. Пусть частота f в канале связи равна 50 кгц = 50000 гц = 5 ∙10⁴ гц.

Тогда длительность полупериода тока J в ампер-витках, образованных проводником 7, равна 10^-5с, т.е. t = 10^-5с.

Полный заряд каждой из пластин 5, 6 приёмной антенны ПА равен 2∙10^-10 кл (q_n = 2∙10^-10 кл). Тогда ток J в ампер-витках равен q_n/t.

J = q_n/t = 2∙10^-10/10^-5 = 2∙10^-5(a).

Но если не учитывать активное (очень малое) сопротивление, то . Т. к. ∆U =10 в соответствует стационарному полю, а ток J в ампер-витках изменяется синусоидально, то следует учитывать не максимальное ∆U значение разности потенциалов, а действующее значение, т.е.

Тогда Х_i= 7.14/2∙10^-5=3.6∙10⁵(ом)

Индуктивность L ампер-витков определяется выражением: L=W² ∙ μ₀ ∙ S_ф/γ.

W=10, μ₀= гн/м, S_ф = 10^-4м², γ = 10^-3м.

L =

Но . Х_i = 3,6 ∙10⁵(ом).

3,6∙10⁵= 4 μ_ф. μ_ф ≈ 10⁵ (что является основанием для выбора материала – феррита для тороида 8).

Определим напряжённость Н магнитного поля в тороиде 8 и магнитную индукцию В на участке размыкания тороида 8 и размещения магнитных полупроводников МП1, МП2 от действия переменного тока J в ампер-витках.

Н = J∙W/l₀ . Где: l₀ = 2,5 см = 2,5∙10^-2 м – длина пучности звука в тороиде 8.

Н = 2∙10^-5 ∙10/2,5∙10^-2 = 0,008 (а/м).

В = Н/0,8 = 0,008/0,8 = 0,01(тл) = 100 (гс).

Приведённый численный, хотя и приближённый, расчёт магнитной цепи позволяет определиться в требуемых значениях активной площади и чувствительности исходно подмагниченных постоянным магнитным полем магнитных полупроводников МП1, МП2.

Несущая частота передатчика Пер в примере выбирается близкой к одной из собственных частот свободного тороида 8. В месте закрепления тороида 8 в приемнике Пр узел смещений в стоячей упругой волне тороида 8 приходится на середину длины тороида 8. Если тороид 8 закрепить не за его середину, то возбудить колебания упругой волны с образованием стоячих волн на высоких гармониках не представляется возможным.

Исходно от источника тока ИТ1 в первую обмотку возбуждения 9 подается постоянный ток вполне определенной величины и для того, чтобы поляризацией-подмагничиванием тороида установить начальную магнитную проницаемость материала тороида 8 – магнитопровода и тем самым начальную магнитную индукцию на разомкнутом участке тороида 8, которая, кроме того, корректируется в зависимости от температуры тороида 8 путем подачи тока в обмотку возбуждения 10, управляемого датчиком температуры ДТ.

С выхода управляемого генератора УГ электрических импульсов переменное напряжение заданной амплитуды, длительности и частоты подается к конденсатору С на участке размыкания тороида 8. С подачей напряжения на конденсатор С малой ёмкости, последний быстро заряжается – на его обкладках появятся разноименные заряды, приводящие к образованию толчка-удара на торцы разомкнутого тороида 8. От чего в нем и на разомкнутом участке возникает переменное магнитное поле, которое также пронизывает ампер-витки на тороиде 8, образованные проводником 7.

После исчезновения напряжения на выходе генератора УГ конденсатор С быстро разряжается через выход генератора УГ. Частота импульсов генератора УГ выбирается таким образом, чтобы она соответствовала собственной частоте избирательного колебательного контура ИКК и близко к несущей частоте, формируемой задающим генератором ЗГ передатчика Пер. В результате чего компенсируются неизбежные потери в колебательном контуре ИКК, тороиде 8 и на перезарядку пластин 5, 6 приемной антенны ПА приемника Пр током, вызванным изменением магнитного поля в тороиде 8.

Несмотря на то, что постоянно происходит перезарядка пластин 5,6 приёмной антенны ПА, всю антенну ПА возможно представлять как единое тело, внутри которого суммарный заряд равен нулю. Но в таком случае силовые линии напряженности электрического поля, поступающие через канал связи КС, пронизывают это тело-антенну ПА насквозь и снова выходят, поскольку только суммарный заряд определяет полное число входящих и выходящих линий напряженности. При этом, поскольку пластины 5, 6 и проводник 7 сделаны из проводящего материала, в теле антенны ПА происходит дополнительное смещение зарядов, вызванное влиянием сигналов канала связи КС, частота которых ослабленно согласована с частотой возбуждения тороида 8 управляемым генератором УГ и конденсатором С.

    Если представить, что перезарядка пластин 5, 6 приёмной антенны ПА, представляющей собой стержневой вибратор, направленный осью по направлению распространения волн электрического поля, не происходит от внутреннего воздействия в приёмнике Пр, т.е. пластины 5, 6 исходно не являются заряженными, то при появлении внешнего электрического поля, например, с напряжённостью 10 в/м, носители заряда – электроны в приёмной антенне ПА приходят в движение: против направления вектора внешнего электрического поля Е. В результате на пластинах 5, 6 возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами. Поле этих зарядов в объёме антенны ПА направленно противоположно внешнему полю. Таким образом, накапливание зарядов на пластинах 5, 6 антенны ПА происходит до тех пор, пока поле зарядов в антенне ПА не сравняется с встречно-направленным полем Е, т.е. пока напряжённость поля внутри антенны ПА не станет равной нулю. Следовательно, антенна ПА разрывает часть линий напряжённости внешнего электрического поля Е – они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах пластины 5 и вновь начинаются на положительных зарядах пластины 6 приёмной антенны ПА.

Если в момент включения электрического поля в излучающей антенне ИА пластина 5 приёмной антенны ПА окажется заряженной положительно, а пластина 6 отрицательно от тока J в ампер-витках, образованных проводником 7 (изначально ток J в ампер-витках образуется от механического воздействия заряда конденсатора С на концы тороида 8), то это вызовет ещё большее увеличение тока J в ампер-витках – теперь уже и от действия электрического поля излучающей антенны ИА.

Если за счёт сигналов модулятора ДП частота в канале связи КС поднимается под уровень согласования её с частотой управляемого генератора УГ и с резонансной частотой колебательного контура ИКК, на контуре ИКК, включенном в мостовую схему МС, станет выделятся многократно усиленный электрический сигнал, вызванный дополнительным смещением зарядов в приемной антенне ПА.

Если выполняется условие R1∙R2=МП1∙МП2, то разность потенциалов между точками А и В мостовой схемы МС равняется нулю при любом напряжении источника питания ИТЗ – мостовая схема сбалансирована. Пока мостовая схема МС остаётся сбалансированной, то на вход избирательного колебательного контура ИКК напряжение не поступает. Разность потенциалов между точками А и В появится только в том случае, если магнитные полупроводники МП1 и МП2 подвергнутся влиянию перпендикулярного к площадям магнитных полупроводников МП1 и МП2 магнитного поля, действующего на разомкнутом участке магнитопровода 8. В колебательном контуре ИКК при этом появится ток. Однако напряжение на выходе колебательного контура ИКК появляется только в том случае, когда частота изменений сопротивлений магнитных полупроводников МП1, МП2 становится равной (или близко к тому) собственной резонансной частоте колебательного контура ИКК.

Выход избирательного колебательного контура ИКК соединен через разделительный конденсатор Ср с входом потенциального усилителя ПУ, обладающим практически бесконечным сопротивлением, чем самым максимально уменьшается шунтирующее влияние усилителя ПУ на колебательный контур ИКК, повышается избирательность контура ИКК.

С выхода потенциального усилителя ПУ сигнал уходит в узел демодуляции УД – детектор, выполненный в примере по известной схеме удвоения напряжения. Выделенный модулирующий сигнал передатчика Пер далее усиливается усилителем У низкой частоты, подключенным к детектору УД, и передается в узел УП превращения сигнала в требуемую форму потребления получателем, в свою очередь, например, выполненным в виде осциллографа.

Для исследования свойств волн электростатического поля достаточно обеспечить дальность связи до ста метров.

Возьмем в этом примере единичные поверхностные площади экрана 3 и пластин 5, 6 приемной антенны ПА равные каждая 0,5 м² (S=0,5 м²). Посчитаем, что для образования надежной связи передатчика Пер с приемником Пр необходимо, чтобы на единичную (с одной стороны) площадь пластины 5 приемной антенны ПА поступало не менее 5-ти линий напряженности электрического поля, определяющих чувствительность приемника Пр и энергию, которую приемник Пр может получить от поля. Тогда напряженность электрического поля в точке его приема определится из выражения: Е=N/S. Где: Е – напряженность электрического поля (в в/м). N – число линий напряженности (N = 5).

S – площадь пластины 5 приемной антенны ПА (S = 0,5 м² одной стороны пластины 5).

E = N/S = 5/0,5 = I0 (н/кл) = 10(в/м).

Определим, каким зарядом q должен обладать моноэлектрет 2 (экран 3) –источник поля, если на расстоянии 100 м от него расположен детектор поля – приемник Пр, для которого
Е = 10 в/м.

Для расчета используем формулу: Е = k∙q/r². Где: k = 9∙10⁹ н∙м²/кл² .

r – расстояние связи источника поля с детектором поля (r = 100 м).

k∙q/r² = 10 (в/м). q = 10∙100²/9∙10⁹ = 1,1∙10^-5 (кл).

Определим поверхностную плотность G от заряда моноэлектрета 2 на экране 3.

G = q/S = 1.1∙10^-5/0.5 = 2.2∙10^-5 (кл/м²) = 2,2∙10^-9 (кл/см²).

Экран 3 с поверхностной плотностью заряда G
= 2,2 ∙10^-9 (кл/см²) посчитаем не создаст трудностей в коммутации экрана 3 моноэлектрета 2 с «землей» «З», поскольку магнитный полупроводник в ключе коммутации КК может быть включён с довольно большим добавочным сопротивлением, определяемым экспериментально.

Как известно, по справочным данным, уже достигнута поверхностная плотность заряда моноэлектрета G=2,2х10^-5 кл/см², создающая во внешнем пространстве – в воздушно-вакумной среде однородное электрическое поле с напряженностью Е = G/2∙e₀ = 2ñ∙k∙G.

Где: е₀ = 8,85∙10^-12ф/м, G – в кл/м², а k = 9∙10⁹.

    Определим E (напряжённость электрического поля) и N (число линий индукции электрического поля) вблизи моноэлектрета 2 (на экране 3) при G = 2,2∙10^-5 кл/м².

E = G/2_ε0 = 2,2∙10^-5/2∙8,85∙10^-12 = 1,2∙10⁶(в/м).

N = E∙S = 1,2∙10⁶∙0,5 = 6∙10⁵ (линий).

Казалось бы, замечательным в анализе формулы Е = G/2∙е₀ является то обстоятельство, что напряженность Е вблизи рассматриваемой точки поверхности экрана 3 определяется только поверхностной плотностью G
заряда и не зависит от расположения других соседних проводников (т.е. напряженность Е вблизи заряженной поверхности не зависит от расстояния).

Однако следует иметь в виду, что на значительном расстоянии от заряженной проводящей поверхности напряженность поля Е убывает пропорционально 1/r², т.е. формула Е = G/2∙е₀ вырождается в формулу Е = k∙q /r².

Обозначенная нами чувствительность детектора поля 10 в/м очень мала по сравнению с чувствительностью современных радиоприемников (например, несколько мкв/м). Мы показали, что линии индукции N расположены гуще вблизи заряда. На удалении от него, где поле слабее, на единичную площадь приходится меньше линий индукции. Однако “линии” – это просто наглядная модель с количественной характеристикой – средним числом линий, проходящих через единичную площадь. И это не значит, что между линиями напряженности электрического поля ничего нет. На самом деле мы можем строить приемники с еще большей чувствительностью и избирательностью и передатчики с большей поверхностной плотностью заряда в излучающей антенне (например, пока ещё в пределе до10^-5 кл/см²), увеличивая тем самым дальность связи.

Чувствительность приемника увеличивается с увеличением площади пластин приемной антенны. Кроме того, в приемнике Пр узел демодуляции УД может быть выполнен с применением частотного дискриминатора, включенного в схему автоматической подстройки частоты (АПЧ), автоматически поддерживающую точную настройку на излучение передатчика Пер при любом изменении внешних условий.

Схема АПЧ в таком случае содержит также преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и управляемый частотным дискриминатором гетеродин. При этом преобразователь частоты входами подключается к выходам потенциального усилителя ПУ и гетеродина, а выход преобразователя частоты через УПЧ соединяется с частотным дискриминатором.

Поскольку по крайней мере несколько центральных линий напряжённости электрического поля излучающей антенны ИА уходит практически в бесконечность, то это обеспечивает в месте размещения детектора поля минимальную напряжённость электрического поля вне зависимости от расстояния до этого детектора и препятствий в среде распространения. При достаточной чувствительности приёмника Пр к этому минимальному числу линии напряжённости электрического поля сверхсветовая (как ожидается, порядка 3 х 10 в 20 степени м/с) связь на волнах электрического поля может быть значительно расширена по дальности связи.

При использовании системы связи в высокочастотном диапазоне, т.е. когда несущая частота передатчика Пер много больше собственной резонансной частоты тороида 8 в приёмнике Пр, параллельно ампер-виткам a-b может быть включён подстроечный конденсатор Cп для образования входного контура, согласованного по собственной частоте с несущей частотой передатчика Пер.

Использование предлагаемой системы связи возможно позволит опытным путем исследовать свойства продольных волн электрического поля, которые в некоторых предсказаниях являются сверхсветовыми и наиболее проникающими.

Для исследования таких свойств продольных волн электрического поля, как проникающая способность, изменение направления распространения, концентрация линий напряжённости могут использоваться разного рода экраны в канале связи.

Качество модуляции в системе связи может быть проверено, например, подлючением громкоговорителя сначала к выходу модулятора передатчика, а затем к выходу приёмника.

Дальность связи при выбранной поверхностной плотности заряда в излучающей антенне может быть проверена при изменении конфигурации и размеров излучающей и приёмной антенн.

Скорость распространения продольных волн электрического поля возможно экспериментально определить с помощью данной системы связи, если в передатчике отключить модулятор, дополнительно ввести в передатчик колебательный контур ударного возбуждения, импульсно подключаемый импульсным магнитом через свой магнитный полупроводник; при этом этот колебательный контур своим вибратором должен быть соориентированным на электромагнитное излучение в направлении канала связи. В приёмник необходимо ввести свой дополнителный колебательный контур, настроенный на частоту электромагнитного излучения от контура передатчика. Сигналы, снимаемые с приёмного контура электромагнитного излучения и контура приёма продольных волн электрического поля в точке приёма, и усиленные потенциальными усилителями, подаются для регистрации на вход двухлучевого осциллографа или же на анализатор на электроннолучевой трубке памяти с фоторегистрацией. Чем самым обеспечивается возможность измерить разность времени поднятия передних фронтов импульсой волн электромагнитного и электрического полей и тем самым рассчитать скорость распространения продольных волн электрического поля.

Выводы.

Важно произвести экспериментальное определение обозначенным выше способом возможности самой генерации, а затем и свойств продольных волн электрического поля. Для этого предложена система связи (на расстояние порядка 100 метров). И если в итоге обозначенные выше предсказания опытным путём подтвердятся, то станет необходимым продолжить совершенствование систем связи на продольных волнах электрического поля.

Список литературы:

1. Радиолюбительский справочник по общей редакцией Д. П. Линде, М.,Л..”Энергия”,1966, с. 22, 91, 93, 97, 110, 127, 130-136.

2. С. Г. Калашников Электричество. Госиздательство технико-теоретической литературы, М., 1956, с. 33, 34, 49, 67, 241, 350, 626-636.

3. Научно – популярный интернет – журнал “Мембрана:

а). Статья “Знакомтесь – электреты!”

б). В. Кулигин, Г. Кулигина, М. Корнева “Проблемы волновой электродинамики”.

в). Статья “Юрий Волков о возможности превышения света”.

г). Статья “Сверхсветовая связь. Производство эндоскопов”.

д). Мировые новости – “Электрические импульсы неслись быстрее скорости света”.

Приложение:

Рис. 1, Рис. 2.

---

Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»