Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Кравчик Ю. С.

Одесская национальная академия связи им. А.С.Попова, соискатель,Украина

ПРИМЕРЫ НАБЛЮДЕНИЯ НЕЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С МАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

В настоящее время актуальна проблема улучшения характеристик радиотехнических систем и устройств. Их многие характеристики определяются и ограничиваются физическими характеристиками электромагнитного поля Е-Н. Так, например, размеры поперечного сечения полого волновода определяются его критической длинной волны. Поэтому естественно попытаться обойти эти физические ограничения путем использования полей неэлектромагнитной природы.

В [1] представлено теоретическое обоснование существования неэлектромагнитных полей с поперечной индукцией. Характеристики этих полей отличаются от электромагнитного поля Е-Н, что делает их перспективным для создания радиотехнических устройств с новыми характеристиками. В [1] представлены математические условия возникновения поперечной индукции с участием неэлектромагнитных полей с электрической составляющей, но не рассматривались вопросы существования неэлектромагнитных полей с магнитной составляющей и их отличительных свойств. Поэтому цель данной работы – показать примеры экспериментального наблюдения неэлектромагнитных полей с магнитной составляющей благодаря свойствам, отличающим их от электромагнитного поля Е-Н.

В [1,2] предложена и обоснована поперечная метасистема из систем уравнений, описывающая четыре варианта поперечных индукций и четыре варианта продольных индукций для электрического поля. Теоретическая необходимость во введении неэлектромагнитных полей состоит в необходимости выполнения закона сохранения энергии для магнитного поля при отсутствии электрической составляющей. Системы уравнений (1)-(8) записаны аналогично системам уравнений [1,2] но относительно магнитного поля Н. Система (4) – система уравнений Максвелл

В системах уравнений (1)-(8):- соответственно, вектора электрического, магнитного и соответствующих вновь введенных полей; - вектор пространственной плотности тока соответствующего поля; g – проницаемость среды для соответствующего поля, ρ – пространственная плотность заряда соответствующего поля, disН=dН_I/dx_J+dН_J/dx_I –оператор, определяемый как сумма соответствующих несимметрических пространственных производных соответствующего поля, входящих как разность в оператор rot[1], t- временная координата, I и J – номера пространственных координат.

ПРИМЕР ПОПЕРЕЧНОЙ ВОЛНЫ

Рассмотрим теоретическую возможность существования неэлектромагнитного поперечного поля с магнитной составляющей.

Рассмотрим функцию магнитного поля следующего вида, аналогично [1]:

где: Н_α- угловая компонента магнитного поля, z и t – соответственно, пространственная и временная переменные, Н_α0, n и ω действительные постоянные.

В соответствии с алгоритмом, изложенным в [1], для определения индукционной полевой пары для функции магнитного поля (9), функцию (9) необходимо последовательно подставить в каждую из систем уравнений (1)-(8). Выпишем подсистему системы уравнений (1) в цилиндрической системе координат, в которой участвует компонента поля Н_α:

где: r₀ и α₀ – соответственно, единичные орты радиальной и угловой переменной, r – радиальная переменная, z и t- пространственная и временная переменные, K_r- радиальная компонента поля K.

Решение системы уравнений (10) с учетом (9) запишем в следующем виде:

где: K_r- радиальная компонента поля K, K_r0- действительная постоянная. Действительные постоянные в (11) связаны между собой следующим уравнением:

Решение для системы уравнений (3) выглядит аналогично при условии замены всех букв K на M в выражениях (10) , (11) и (12).

Первые пары систем уравнений (2) и (4) для функции магнитного поля (9) не имеют ненулевого совместного решения. Покажем это на примере системы уравнений Максвелла (4). Выпишем подсистему уравнений системы уравнений Максвелла, в которой участвует составляющая Н_α:

где: E_r – радиальная составляющая электрического поля.

Из первого уравнения подсистемы уравнений (13) для магнитной компоненты (9) определим электрическую компоненту в следующем виде:

Из второго уравнения подсистемы уравнений (13) для магнитной компоненты (9) определим электрическую компоненту в следующем виде:

Сравнивая (14) и (15), видно, что совместное решение возможно только при нулевых амплитудных коэффициентах. Аналогичный вывод справедлив и для аналогичной подсистемы системы уравнений (2).

Из этого анализа следует, что магнитное поле со структурой (9) индуцирует поля K и M, и не индуцирует поля L и M. Поэтому назовем такие волновые структуры волнами H-K и H-M, или, сокращенно, H-K,M.

ПРИМЕР ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ

Рассмотрим теоретическую возможность существования неэлектромагнитного продольного поля с магнитной составляющей.

Рассмотрим следующий пример функции магнитного поля:

где: H_I0 – действительный амплитудный множитель, x_I - пространственная координата.

Функцию (16) для определения индукционной пары необходимо последовательно подставить в каждую из систем уравнений (5) – (8). В системах (1) - (4) поперечно-однородное магнитное поле (16) не участвует.

Запишем следующую подсистему из системы уравнений (6):

Решение (17) с учетом магнитной составляющей (16) имеет следующий вид:

Для системы уравнений (8) справедливы выкладки, аналогичные (17) и (18) с подменой всех букв V на P.

Системы уравнений (5) и (7) также могут иметь только нулевые совместные решения для первых и вторых уравнений систем уравнений для магнитного поля (16). Покажем это. Выпишем подсистему уравнений (5), в которой участвует поле (16):

Из первого уравнения системы уравнений (19) для магнитного поля (16) получим следующее решение для поля U:

Из второго уравнения системы уравнений (19) для магнитного поля (16) получим следующее решение для поля U:

Из сравнения (20) и (21) видно, что совместное решение обоих уравнений системы уравнений (19) возможно только при нулевых амплитудных множителях (20) и (21). Аналогичный вывод справедлив и для системы уравнений (7), описывающей совместную индукцию с полем W.

Следовательно, функция магнитного поля (16) участвует в индукции с полями V и P, и не участвует в индукции с полями V и W. Поэтому назовем поле, магнитная составляющая которого (16) присутствует в выражении (18), полем H-V и H-P, или, сокращенно, H-V,P.

Рассмотрим вопрос о граничных условиях, которым удовлетворяет поле (18). Вопрос о граничных условиях для поля (18) требует отдельного рассмотрения, поэтому рассмотрим только граничные условия для магнитной составляющей (16). Магнитное поле H_I имеет составляющие только вдоль оси x_I и является поперечно-однородным, т.е. удовлетворяет следующим условиям:

которые удовлетворяют граничным условиям для проводящей поверхности, выложенной вдоль направления магнитного поля (16). Это может быть, например, полая направляющая система – полый односвязанный или коаксиальный волновод.

Аналогичные выводы о граничных условиях справедливы и для магнитной составляющей (9). Действительно,

где: x_r - радиальная составляющая независимой переменной, H_r – радиальная составляющая магнитного поля.

Из выполнения граничных условий (22) и (23) следует, что волновые структуры (11) и (18) являются собственными функциями для полого односвязанного волновода, и коаксиального волновода. В отличие от электромагнитных волн, волны H-K,M и H-V,P могут распространяться независимо от размеров поперечного сечения волновода, например, при низкой частоте ω, не имеющей низкочастотного ограничения. Для волн H-K,M так же следует предположить возможность распространения через плоский проводящий экран, т.к. для его магнитной компоненты (9) выполнено условие (23), которое следует считать граничным для поверхности z=const.

ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ НЕЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С МАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

Экспериментальная проверка существования полей (11) и (18) и возможности их генерирования и детектирования была проверена в следующих экспериментах.

Поле (11) и его магнитная составляющая бесконечны в пространстве и поэтому в полном объеме не может быть реализовано. Но поле (11) можно реализовать частично с помощью следующей системы катушек индуктивности. Частичная реализация магнитной составляющей (9) поля (11) выполнялась с помощью четырех катушек индуктивности, сложенных на общей оси. Все катушки выполнялись идентичными между собой и наматывались на ферритовый кольцевой сердечник К40Х25Х11 М2000НМ1 эмалированным проводом ПЭВ-2 Ø 0,15мм по 110 витков, образуя тороидальные катушки. Катушки включены последовательно между собой и запитаны от общего генератора тока. При этом первая и третья катушки создавали магнитные потоки с параллельными между собой направлениями. Магнитные потоки второй и четвертой катушек – с противоположным направлением. Такая комбинация магнитных потоков приблизительно соответствует гармоническому пространственному множителю в выражении (9) – рисунок 1.

Рисунок 1. Схема токов в катушках поперечной волны.

На рисунке 1 показаны: схема направлений токов в обмотках катушек и направления магнитных потоков в них. Временная зависимость в выражении (9) в виде экспоненциального множителя реализована питанием катушек от генератора П – образными импульсами размахом до 200В с частотой 220кГц. Детектирование поля, излучаемого системой катушек, осуществлялось идентичной системой катушек, нагруженных на вход осциллографа.

В эксперименте № 1 расстояние между приемными и передающими катушками составило 10см. При этом размах напряжения на приемных катушках составил 1,5В, а его форма приблизительно соответствует первой гармонике напряжения питания передающей антенны.

Катушки передающей антенны повторяют необходимое поле (9) не в полном объеме. Поэтому в их излучении неизбежно присутствие электромагнитной составляющей Е-Н. Здесь возникает закономерный вопрос. Какой экспериментальный критерий позволяет утверждать присутствие поля неэлектромагнитной природы. Ответ на этот вопрос состоит в следующем. Неэлектромагнитное поле H-K,M может быть отфильтровано от электромагнитного поля Е-Н благодаря их отличительным свойствам. Как показано выше, предполагаемые отличительные свойства поля H-K,M - способность проходить через проводящий экран и полый односвязанный волновод при низких частотах. Эти отличия позволяют определить относительный уровень поля H-K,M в излучении передающей антенны.

В эксперименте № 2 повторены все параметры эксперимента № 1, с одним отличием – был введен плоский проводящий экран из алюминия 280Х210мм между приемной и передающей антеннами. Результат эксперимента – размах напряжения на приемной катушке составил 1,3В.

В эксперименте № 3 проверялась возможность распространения поля излучения передающей катушки через полый волновод круглого сечения длинной 0,5м. Результат эксперимента – размах напряжения на приемной катушке 15В.

Из описания приведенных экспериментов следует, что поле H-K,M существует в природе, проявляет свойства, отличающие его от электромагнитного поля Е-Н. Так же проверены его простейшие антенны, дающие возможность для проведения его излучения через свободное пространство, проводящий экран и полый волновод.

Продольная волна с магнитной составляющей (18) H-V,P так же не может быть сформирована в полном объеме в силу неограниченности в пространстве. Поэтому создадим волну (18) с помощью следующего набора катушек индуктивности, частично повторяющих структуру пространственного множителя (16) магнитной составляющей. Передающая антенна выполнялась из 4 одинаковых кольцевых катушек, каждая из которых имела по 400 витка из эмалированного провода ПЭВ-2 Ø 0,3мм. В каждую из обмоток вставлен сердечник из феррита К30Х15Х11 М2000НМ. Катушки выложены вдоль общей оси последовательно. Электрически обмотки включены последовательно. Обмотки первой и третьей катушек включены согласовано, вторая и четвертая – встречно – Рисунок 2.

Рисунок 2. Схема направлений токов в катушках и магнитных потоков в антенне продольной волны.

На рисунке 2 показаны схемы направлений токов в катушках и создаваемых ими магнитных потоков. Параметры питающего источника напряжения П - импульсов повторяют параметры источника предыдущих экспериментов.

Приемная антенна конструктивно повторяет передающую антенну, и подключалась к входу осциллографа.

В эксперименте № 4 расстояние между приемной и передающей катушкой составило 10 см. Размах напряжения на приемной антенне составил 1,5В. Форма напряжения на приемной антенне повторила форму напряжения на передающей антенне.

Из этого эксперимента следует, что передающая антенна излучает, а приемная антенна принимает поле. Для определения доли неэлектромагнитной составляющей необходимо отфильтровать электромагнитную составляющую. Фильтром выбран полый односвязанный волновод – труба круглого сечения. Как указано выше, электромагнитная волна при такой низкой частоте не способна распространяться через полый волновод.

В эксперименте № 5 приемная и передающая антенны были вложены с двух разных сторон в трубу длинной 0,5м. Параметры напряжения питания повторили параметры питания предыдущего эксперимента. Размах напряжения питания на приемной антенне составил 4,5В, а форма повторила форму напряжения на передающей антенне.

Из этих экспериментов можно сделать вывод о существовании, возможности генерации, детектирования неэлектромагнитной продольной волны с магнитной составляющей H-V,P.

Такие волны могут быть использованы для беспроводной связи, микроминиатюризации волноводного тракта, а так же для уплотнения волноводных коаксиальных линий связи совместно с электромагнитным Е-Н и неэлектромагнитными E-A,D полями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кравчик Ю.С. Метод введения неэлектромагнитных полей в электромагнитную теорию Максвелла//Праці УНДІРТ.- 2002.-№1(29)-с. 52-57.

2. Кравчик Ю.С. Об анализе, выполненном Черенковым В.С., статей Кравчика Ю.С.//Праці УНДІРТ.– 2004.-№2(38)-с. 80-81.

3. Кравчик Ю.С. Неполнота метасистемы, включающей систему уравнений Максвелла, и ее расширение//Праці УНДІРТ. – 2002. - №3(31). – с. 76-79.

Автор Кравчик Ю.С.

ФИО Автор	Название тезисов	Адрес получателя	Телефоны	Секция	e-mall
Кравчик Юрий Сулевич	ПРИМЕРЫ НАБЛЮДЕНИЯ НЕЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С МАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ	Г. Одесса 65006, до востребования	(8067)-705-83-51(м), (048)- 715-09-98(д)	Техн./6. Эл.-техн. и электр.	luckygift@mail.ru