ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ПОЛЕЙ С ПОПЕРЕЧНОЙ НЕЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИЕЙ <br> <br> <br> <br>

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 ограничены 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, но не рассматривались вопросы доказательства их физического существования и отличительных свойств. Поэтому цель данной работы – показать примеры экспериментального наблюдения одного из неэлектромагнитных полей с поперечной индукцией благодаря свойствам, отличающим их от электромагнитного поля Е-Н.

В [1,2] предложена и обоснована поперечная метасистема из четырех систем уравнений (1)-(4), описывающая четыре варианта поперечных индукций. Система (4) – система уравнений Максвелла.

Здесь:- оответственно, вектора электрического, магнитного и соответствующих полей; - вектор пространственной плотности тока соответствующего поля; g – проницаемость среды для соответствующего поля, ρ – пространственная плотность заряда соответствующего поля, disE=dE_I/dx_J+dE_J/dx_I –оператор, определяемый как сумма соответствующих несимметрических пространственных производных соответствующего поля, входящих как разность в оператор rot[1].

В [1] приведены несколько примеров функций электрического поля, участвующих в различных неэлектромагнитных индукциях, не являющихся компонентами решений системы уравнений Максвелла (4).

Рассмотрим функцию электрического поля следующего вида [1]:

Здесь: E_X, E_Z – компоненты электрического поля, t и y – соответственно, временная и пространственная переменные, E_X₀, E_Z₀, ω и t – действительные параметры.

В соответствии с алгоритмом, указанным в [1], для определения второй индукционной пары поля (5) необходимо подставить функцию (5) электрического поля последовательно в системы уравнений поперечной метасистемы [1]. Компоненты (5) участвуют в следующей подсистеме (1) I системы уравнений [1]:

Здесь: А_X, A_Z – компоненты поля А, g_A и g_E – проницаемость среды для соответствующего поля.

Компоненты поля А решения (6) совместно с (5) будут следующими:

Здесь: А_X₀, A_Z₀, ω, k – действительные множители, связанные условием:

Компоненты (5) так же присутствуют в следующей подсистеме (2) II системы уравнений [1]:

Здесь: C_X, C_Z – компоненты поля C, g_C – проницаемость среды для поля C.

Компоненты поля С решения системы (5):

При условии

амплитудные компоненты (6) равны нулю:

С_X₀=C_Z₀=0. (12)

Компоненты (5) так же присутствуют в (3) III подсистеме и повторяют компоненты (6), а их решение – решение (7) с подменой всех букв А в (6) и (7) на D:

Компоненты поля D решения подсистемы (13) имеют следующий вид:

при условии:

Компоненты (5) так же присутствуют в следующей, (4) IV, подсистеме системы уравнений Максвелла:

Здесь: H_X, H_Z – компоненты магнитного поля H, g_H – проницаемость среды для магнитного поля H.

Компоненты магнитного поля H решения системы (5):

При условии

амплитудные компоненты магнитного поля (6) равны нулю:

H_X₀=H_Z₀=0. (19)

Выполнение условий (8), (11), (15) и (18) одновременно невозможно, т.к. константы проницаемости g_A g_C, g_D, и g_H среды для разных полей A,C,D и H предполагаются различными. Выполнение условий (11) или (18) позволяет вывести из индукционного взаимодействия соответственно поле C или магнитное поле Н. Точное выполнение условия (8) или (15) позволяет реализовать индукцию электрического поля Е с полем A или D соответственно. Если выбранные параметры ω и k электрического поля Е (5) не выполняют ни одного из равенств (8), (11), (15) или (18), то в общем случае электрическое поле (5) будет индуцировать поля A,C,D и H. При этом компоненты полей С и Н при любых сочетаниях коэффициентов ω и k противоречивы и не создают решений с волновой структурой. Поэтому будем считать поле, индуцированное составляющими (5) как поле Е-A,D, хотя поля С и Н так же присутствуют в области антенны в качестве побочных. Если поле (5) повторяется не полностью, а частично, то и уровень полей С и Н будет относительно большим.

Рассмотрим следующий вопрос. Какой экспериментальный критерий позволит отличить введенные поля Е-A,D от электромагнитного Е-H поля. Теоретическое введение неэлектромагнитных полей необходимо для сохранения баланса энергии переменного электрического поля Е при отсутствии магнитного поля Н [1]. Экспериментальный критерий присутствия неэлектромагнитного поля - свойства поля Е-A,D (5),(7),(14), которые отличат его от электромагнитного поля Е-H. Рассмотрим экспериментальное проявление свойств такого поля.

Сгенерируем поле Е-A,D (5),(7),(14) следующим образом. Вектор электрического поля Е (5) описывает винтовую линию [3] вокруг оси y. Электрическое поле (5) реализуем подачей электрического напряжения с экспоненциальными фронтами между двумя изолированными между собой электродами, выполненными вдоль такой винтовой линии, и выложенными последовательно, друг за другом, по ее радиусам r, как показано на рисунке 1. Напряжение с экспоненциальными фронтами E_r реализовано переменным напряжением в форме П-импульсов. Рассмотрим некоторые экспериментально наблюдаемые свойства поля, генерируемого такой антенной.

Рисунок 1.

Схема выполнения электродов антенны вдоль винтовой линии и их питания.

В эксперименте № 1 использовались два электрода из меди сечением 2х3,5 мм. Шаг витков винтовой линии составил 6мм. Внешний диаметр винтовой линии составил 19мм. Винтовая линия выполнялась по часовой стрелке. Общая длинна антенны составила 120мм при 17 витках. Такая антенна выполнена в двух экземплярах. Между электродами одной антенны подавалось напряжение от источника П-импульсов размахом 200В, частотой 220кГц. Приемная антенна располагалась на расстоянии 0.1м, соосно с передающей. Электроды приемной антенны подключены к осциллографу С1-79. Форма напряжения на приемной антенне повторяла форму напряжения на передающей антенне. Размах напряжения на приемной антенне составил 1В. Из этого эксперимента можно сделать вывод о существовании и распространении в пространстве волны поля Е-A,D.

В следующем эксперименте № 2, в отличие от предыдущего, между приемной и передающей антеннами в средней части был введен алюминиевый экран толщиной 1,3мм и размерами 290х210см перпендикулярно оси антенн. Результат эксперимента состоит в том, что амплитуда напряжения на приемной антенне составила 0.7В. Из этого эксперимента можно сделать вывод, что излучаемое передающей антенной поле Е-A,D полностью не экранируется проводящим экраном. Экранируется электромагнитная Е-Н компонента в излучении передающей антенны. Неэкранируемая проводящим экраном компонента и является искомым полем Е-A,D. Следовательно, присутствие неэкранируемой проводящим экраном компоненты поля на приемной антенне доказывает регистацию неэлектромагнитной составляющей поля Е-A,D.

Определим граничные условия, которым удовлетворяет электрическое поле (5). Вопрос о граничных условиях для поля Е-A,D требует отдельного рассмотрения. Поэтому рассмотрим граничные условия только для электрической составляющей (5) поля Е-A,D. Касательные составляющие электрического поля (5) вблизи цилиндрической поверхности равны нулю [4,6]:

где: E_φ и E_Y ,соответственно, угловая составляющая и составляющая вдоль оси y электрического поля Е.

Электрическое поле (5) везде перпендикулярно поверхности цилиндра, ось которого совпадает с осью y. Уравнение этого цилиндра следующее:

где: r – радиус цилиндра.

Следовательно, такая цилиндрическая поверхность является поверхностью выполненных граничных условий и может быть заменена проводящей поверхностью [5]. Такая поверхность – металлическая труба круглого сечения, выполненная вдоль оси y.

В следующем эксперименте № 3 проверялась возможность распространения волны Е-A,D в полом односвязанном волноводе круглого сечения. В эксперименте использовалась металлопластиковая алюминиевая труба с внешним диаметром 21мм. Толщина алюминиевой стенки составляла 1мм. В эксперименте длинна отрезка трубы составляла 25м. С двух противоположных концов трубы были вставлены передающая и приемная антенны. Параметры питания передающей антенны совпадают с параметрами питания в эксперименте № 1. Размах напряжения на приемной антенне составил 1,5В при измерении по осциллографу.

Из эксперимента № 3 можно сделать вывод о том, что волна Е-A,D в цилиндрическом волноводе существует и способна распространяться через односвязанный волновод круглого сечения. Следует заметить, что электромагнитная Е-Н составляющая при такой низкой частоте не способна распространятся через односвязанный волновод [6] и экспоненциально затухает в нем. Кроме того, электромагнитная Е-Н составляющая может создать разность потенциалов между участками пространства, расстояние между которыми соизмеримо с длинной электромагнитной Е-Н волны [6]. В данных экспериментах расстояние между электродами определяется толщиной изоляции, составляет 0,5мм и существенно меньше длинны электромагнитной Е-Н волны. Следовательно, результаты поставленного эксперимента № 3 доказывают существование поля Е-A,D в излучении передающей антенны и показывают их отличительные свойства от электромагнитного поля Е-Н – способность распространятся в полом волноводе при низкой частоте.

Следует так же заметить, что граничные условия (20) для электрического поля (5) выполняются так же и в коаксиальном волноводе при выполнении передающей и приемной антенн в виде двух электродов, намотанных на центральный электрод, выполненных последовательно по радиусам.

Рассмотрим еще один тип волновой структуры Е-A,D. Определим компоненты поля цилиндрической волновой структуры и ее экспериментальное наблюдение.

Следующая функция электрического поля является упрощенным вариантом функции (5), записанной в цилиндрической системе координат:

где: E_R – радиальная составляющая электрического поля, E_R₀ – действительная константа.

Для теоретического исследования функции (22) применим тот же подход, что и в предыдущем случае. Определим совместные компоненты поля (22). Для этого решим подсистемы систем уравнений поперечной метасистемы (1) – (4) [1], в которых участвует составляющая E_R электрического поля (22). Затем выпишем их составляющие решений. Компоненты систем (1) и (3), совместные с (22), представим в цилиндрической системе координат:

Здесь: A_aи D_a угловые составляющие соответствующих полей.

Остальные системы уравнений (2) и (4) дают несовместные компоненты решений, как и в предыдущем случае.

Набор решений в виде полей (22) – (23), (24) - поле Е-A,D. Такое поле создадим с помощью следующего набора электродов. На рисунке 2 показан разрез макетного образца антенны поля (22). Антенна состоит из 8 медных колец сечением 2х3,5мм. Внутренние кольца имеют внутренний диаметр 8,5мм, внешний диаметр внешних колец составляет 16мм. Кольца подключены к двум выводам антенны в шахматном порядке.

Экспериментальная проверка свойств антенны цилиндрической волны показала, что свойства ее поля излучения повторяют свойства поля излучения антенны винтовой линии.

Эффективность приемной и передающей антенн может быть пропорционально повышена увеличением числа электродов конструкции, что дает возможность увеличить расстояние уверенного приема между приемной и передающей антеннами.

Рисунок 2.

Разрез электродов антенны цилиндрической волны и ее питание.