Трансформатор Анквича

   Итак,источник энергии ясен: имеются ~10²⁵ штук "вращающихся шариков"(атомов)  их "вечно крутят ~10²⁵ штук "турбинок", как бы к ним подключиться  "без скользящих контактов"... После нескольких лет "поисков в темноте", "методом тыка", Анквич случайно замеил удивительный Экспериментальный Факт (1992 год), на который сто лет никто до него не обращал внимания: (то есть "все знали" и сам Анквич еще в школе в детсве,30 лет назад, вродебы "знал"- но "не придавал " значения ) Эффект "концентрации поля" длинным железным стержнем.(или стержнем магнитной ВЧ-ферритовой антенны, все равно...). Взяли кусок обыкновенного железного прутка    Æ  10мм и длиной 1000мм. (R~6мм, L~1000мм, отношение L/R~200 крат).Равномерно по всей его длине намотали N=1000 витков провода и пропустили от батарейки постоянный ток J~1ампер. Произведение J*N (ампер-витки) называется "магнитодвижущей силой" (МДС). Значит у нас МДС~1000ампер-витков (или просто "ампер"). Легко показать теоритически (и запросто продемонстрировать измерениями на опыте), что почти вся это МДС приходится  ("падение магнитного напряжения") не на железо, а на "воздушные зазоры" вблизи краев ферро-стержня! То есть напряжённость маг.поля в воздухе вблизи краев стержня возрастает ~ в  L/(2*R) ~ в 100 раз!!  По сравнению с теми же ампервитками, но без ферросердечника!! Вынули сердечник: H_солен~ 1000 / 1000 ~ 1ампер/миллиметр. Всавили сердечник: H_полюса ~ 1000 / (2*5) ~ в 100раз !! Это проверенный факт!!! Лично сам много раз измерял и проверял. (H_полюса / H_солен) ~ L/(2*R) >> 1

"-Значит, если от постоянного тока перейдем к переменному, то ЭДС/на виток тоже возрастет в сто раз"...

Сам по себе этот факт давно известен ("обычный электромагнит")- но вот логические следствия оказалтсь "волшебными" и "фантастическими".

    Дело не в размерах и не в "числах витков"!! Поймите же, это просто резонанс-трансформатор, и ничего более!! "Просто тр-р"!!

Поэтому достаточно подсказать лишь те отличия от обычного тр-ра, которые надо учитывать дополнительно:

1) Чем миниатюрнее (меньше по размерам) моделька, тем выше надо выбирать рабочую частоту: при R~несколько миллиметров F_опт~сотни кологерц, при R~несколько сантиметров F_опт~несколько килогерц (или, если "умеючи", можно и 0,5 кГц).  Собственно под эту частоту берем материал ферростержня: ферриты СВ-диапазона, или перм-лента, или трансф. сталь, или пучок тонкой проволки.

2) Витки первичной обмотки наматываются равномерно по всей длине ферростержня ("длинный соленоид"). Число их может быть "каким угодно"- от нескольких сотен витков (смотря по тревуемой резонансной частоте и емкости конденсатора контура.  Максимально 2000 кГц).  

-Что тут ЭДС / на виток мала и ток нагрузки мал - неважно!!,  главное обеспечить асимметрию L₁₂<>L₂₁.

Если моделька на ВЧ-феррите (F~500 кГц)  ("Стержень мини-антенны" R~4мм, L~100...200мм ) (можно и плоский 4*16*120мм, но у плоского стержня асимметрия L₁₂ /L₂₁ мала ) и конденсатор обычный "переменник"  ~300...500 пикофарад, то наматываемгде-то от 20до 40 витков первичной (можно и 60 или 80 витков, неважно). Шаг намотки ~  200мм/40витков ~5мм  от витка до витка. Диаметр провода ~ 1...2мм.

3)   Витки же вторичной "приполюсной" катушки наобарот, наматывам "коротки соленоидом" - что бы длина намотки не более ее радиуса. Радиус вторичной ~2*R стержня, ~8мм расстояние от края стержня ("полюса") ~ R_стерж ~ 4мм (передвигая вторичную ближе или дальше, подбрать оптимум). Число витков тоже "какое угодно", однако с учетом "паразитной " емкости ("ВЧ" -утечек) между витками - не более сотни витков, желательно порядка 30...50 витков. Диаметр провода ~ 0,3...0,5 мм. Емкость конденсатора "под вторичную" тогда понадотся больше, ~2...5 тысяч (лучше всего слюдяной марки КСО). Апараллельно этим 5.000 пф "переменник" на 500 пф.

Дело не в размерах и не в "числах витков"! А только в геометрии! в принципе действия! Первичная - "длинная", вторичная - "короткая и сбоку". В этом суть!

Рассуждать правильно надо так:

1)  "Имется резонанс-трансформатор" с обратной плюс-связью. При каком условии в нем будет "усиление из ничего?". Ага, ясно: при "необходимо и достаточно, чтобы (даже не обязательно "много" больше)" L₁₂-L₂₁<>0. Асимметрии в 1,3...1,5 раза уже достаточно".

2)  "При каком условии это можно иметь?" Ага, ясно: при "особой" Геометрии, необычном асиметричном расположении обмоток. Длина ферростержня 30...50* R, расстояние же вторичной катушки не далее 2...3*R от края стержня ("полюса").

3)   "Ну, а дальше все проектирование и расчет по самым обычным "школьным" формулам! других никаких "секретов", никаких ноу-хау тут нет"!

    Если размеры модельки маленькие- ясно, что рабочую частоту надо высокую. Если частота высокая (ДВ или СВ - диапазон)- ясно, что надо "соблюсти" все обычные правила радиотехники СВ-диапазона: материал ферростержня, понятно, ВЧ-феррит ("стержень маг.антенны"), диаметр провода в первичной ~ несколько десятков (равномерно по всей длине); Числовитков вторичной тоже ~20...30 витков Æ  провода ~0,3...0,5 мм.

Все же остальное (схема задающего генератора, детали , монтаж и т.п.) - никакого значения не имеет, как угодно можно.

Итак, поясняюеще раз принцип действия:   При каком условии обычный резонанс- трансформатор может стать "волшебным", т.е. "усиливающим из ничего"?

Пусть имеется тр-р, обе обмотки которого настроены точно в резонанс (два связанных LC- контура)

И вот, допустим, дошли до Вас слухи, будто вроде бы как-то так можно, чтобы снимая на полезную нагрузку со второго контура P_вых~ 10вт - при этом никаких "обратных влияний", никаких "вредных потерь" в первый контур не "вносить"! хоть нагружен второй контур, хоть не нагружен все равно! - то есть P_вх определяется только потерями ~ (P_реакт) / Q. Ясно, что надо иметь плюс-обратную связь (как в приемнике - регенераторе).

- Однако (в обычном трансформаторе) если мы точно компенсируем "вносимые(вредные)" потери в контуре I, то автоматически изчезнет и полезная ЭДС в контуре II, значит необходимо обеспечить асимметрию коэффициентов индукции.

Что называется "коэфф.индукции"?

    Практическое измерение L₁₂ и L₂₁ производится совершенно аналогично измерению обычных индуктивностей методом (ВЧ-вольтметра)/(ВЧ-амперметра): (см."Справочник радиолюбителя"). Пропускаем J₁ (скажем 1 ампер) по обмотке I, измеряем j₂ на обмотке II (скажем 5 вольт), пропускаем J₂ по обмотке II, измеряем j₁ на обмотке I, (естественно, частота w та же самая). В любом "обычном" тр-ре (например, воздушном, без феррита ) всегда и везде  j₂/J₁ºj₁/J₂ то есть j₂ ºj₁, независимо от числа витков ("от переключения обмоток "наоборот" если J₁=J₂ показания вольтметра не изменяются" )   Для того же, чтобы сделать волшебный  "трансформатор Анквича", надо провести измерения вот этих L₁₂ / L₂₁ и убедится, что реально вольтметр показывает чудо:  j₂/J₁>> j₁/J₂  

При каком именно "хитром" расположении обмоток такая асимметрия коэфф.индукции действительно наблюдается?

   "Чудесный"  и "немыслимый" эффект L₁₂ >> L₂₁ вольтметр у Вас покажет тогда и только тогда, когда "с точки зрения первичной" относительная магнитная проницаемость сердечника от H₁₂ велика, а "с точки зрения вторичной" относительная магн.проницаемость m _{отн 21} того же самого сердечника мала. То есть необходимо и достаточно, чтобы m _{отн 12} >> m _{отн 21}  - как же это может быть?! Разве m _отн не постоянная для данного материала?! - Фокус в том, что m _отн зависит не столько от материала, сколько от формы сердечника! и даже от того, "длинная" обмотка или "короткая сбоку"!!

-Ладно, допустим, прямая индукция (5 вольт) /(1 ампер)=5ом, а обратная (3 вольта)/(1 ампер)=3ом. В чем же тут Чудо? В том, что J₂*Dj=1амп*2вольта=2 ватта черпается из ничего!!! А в том Чудо, что если обр.связью "вредные"  3 вольта компенсировать, то 5 - 3 = 2 вольта из ничего.

   Особое внимание обратите на главную формулу W = M * B (энергия=магнитный момент* индукция поля) (скалярное умножение, т.е. M*B*cosa)  1а*м²*1(в*сек)/м²  = 1а*в*сек = 1 джоуль. Вникните в ее физический смысл, решите несколько задачек на применение этой формулы. Особо важна для нас задачка типа: "магнит (маленький, точечный) крутится внутри катушки (или где-то снаружи около нее), какая в катушке индуцируется от этого ЭДС?"  Решение: "вообразим, что по катушке идет такой-то ток ... он создает в точке нахождения магнита такую-то индукцию поля ... тогда из сохранения энергии "должно быть..." - и так далее. Такой метод решения задачи называется "принципом виртуальной работы". - Так вот!! Сделанное мной открытие короче всего формулируется так: при наличии ферромагнетиков принцип "виртуальной работы" неприменим!!!   Для катушки без сердечника ЭДС действительно такая и будет - а вот если там железо, то ЭДС гораздо меньше!!!.

Ведь что такое намагниченное (слабым внешним полем обмотки) Железо? (хоть железный гвозд, хоть ВЧ-феррит - все равно). Это как бы "даровая и бесплатная" дополнительная катушка с гораздо более сильным "мнимым током"!!! однако создаваемое этим "мнимым" током поле - реально!! Поразмыслите над парадоксом: если M железа @  m_отн и B_железа  @ m_отн - значит, W_железа @ m² ... а чего ж тогда "принято считать" m, а не m² ?!!   M*B_внутр в тысячи раз болше. (Поскольку к реальной обмотке ~ 10*(ампер-витков)/см  добавляется еще ~ 10000*(ампер-витков)/сантиметр  "внутренних", "железных", "мнимых" токов). В кольцевом сердечнике "обычного" трансформаатора эта "скрытая" энергия незаментна - а вот на краях ("полясах") стержня она "вылезает в воздух" и может быть реально использована! в круговом цикле, повторяемом вечно!

    Для ферростержня длиной L и радиусом R имеем "выигрыш по полю": (B_полюса / B_солен)~L/R (аналогично расчету поля в воздушном зазоре электромагнита, если ширина зазора ~ R)   - Однако проигрыш по моменту  гораздо меньше, всего-навсего: (DM_{стержня})/(M_втор)~2*Ln(L/R). Отсюда и возникает усиление: (B_полюса * M_втор) >> (B_солен* DM_{стержня})

Или, что является простым следствием из этого: L₁₂ >> L₂₁ 

Система единиц СИ:  

B_полюса        - индукция в воздухе вблизи края стержня.

B_солен          - индукция в соленоиде без сердечника.

M_втор         - магюмомент вторичной "приполюсной" катушки (от тока нагрузки в ней)

DM_{стержня} - изменение момента феррита от влияния этого M_втор (от влияния тока нагрузки).

По "обычному" сохр.энергии всегда и везде "должно" выполняться равенство: (B_полюса * M_втор) ~ (B_солен* DM_{стержня})  Ну, скажем, типичный "стержень от магнитной антенны" имеет размеры L ~ 160 мм, R ~ 4 мм. То есть отношение L/R ~ 40 крат. Поле соленоида обычно устраивает порядка 0,001 теслы = 1 милитесла. Момент "приполюсной" катушки  (от тока нагрузки) порядка 0,001 а*м²=1ма*м² . Значит , по сохр.энергии "длжно" быть: 40млт*1ма*м² ~ 1млт*40ма*м²  Как бы "закон электро-рычага": во сколько раз выигрываем по полю, во столько же раз "должны" проиграть по магнитному моменту. А на опыте не так!  На самом деле совсем другое: (40млт*1ма*м² ~ 40 мкдж/за период) / (1млт*8ма*м² ~ 8 мкдж/за период). при частоте миллионов периудов в секунду это дает мощности: (P_вых) / (P_вх) ~ (40 ватт)/(8 ватт) ~ (L/R) / (2*Ln(L/R)) ~ 40/(2*Ln40) ~ 40/(2*4) ~ 5    пятикратное усиление из ничего, дальнейшее очевидно.  

 Еще раз о вормуле W=M*B   (энергия = магнитный момент* индукция поля). Практически, технологически - витки соленоида можно и прямо на ферритовый стержень. Но сущность явления понять проще, если нарисовать "маленький" ферростержень внутри "большого" соленоида:

Размер и форма соленоида особого значения не имеют - существеннылишь размеры и форма ("геометрия") феррита. Смысл формулы W=M*B состоит в том, что никаких  "других энергий", сколь-нибудь существенно превосходящих по величине M*B.  Никакие "другие параметры" взаимодействия любого обьекта с любым полем  не имеют никакого значения!  Только магнитный момент данного обьекта надо нам знать и ниндукцию поля в той точке, гдеэтот обьект находится - и ничего кроие! Чем и как создается это поле, чем и как создается этот магн.момент - для "практики" ни малейшего значения не имеет.

"С точки зрения вторичной обмотки" - мы снимаем полезную работу ("откуда-то") порядка  B_полюса* M_втор (дж / за период) "С точки зрения первичной обмотки" - мы вносим в первичный контур потери  B_солен* DM_{стержня} (дж/за период)

Доказано:   B_полюса* M_втор >> B_солен* DM_{стержня}

Проверено и перепроверено лично мной на Опыте!!!

Подчеркнем, что эффект L₁₂ >> L₂₁ чисто геометрический, чисто топологический: "с точки зрения первичной катушки" стержень внутри, а "с точки зрения вторичной катушки" стержень снаружи ("сбоку") - в этом суть! Иначе говоря, асимметрия коэффициентов взаимоиндукции L₁₂ <> L₂₁ возникает тогда и только тогда, кргда имеется асимметрия эффективной магнитной проницаемости m_эфф , которая зависит не только и не столько от свойств ферромагнетика (условно говоря "железа") - а главным образом от геометрии  (прежде всего отношение L/R) ферростержня и от геометрии расположения катушек относительно стержня. "С точки зрения" первичной обмотки: - ну все как обычно, m_эфф ~ 50...100 крат ~ L/R. А вот "с точки зрения" вторичной "приполюсной" катушечки картина магн.поля принципиально иная: 

Мы видим, что если R_втор< R_{стержня} , то это все равно что к "воздушной" (без "железа") приполюсной катушке "сбоку" поднестикусок "железа". Некоторое влияние это, конечно на "воздушную" катушку оказывает - но это "боковое" влияние гораздо слабее, чем если бы "железо"  было  внутри: m_эфф~ 5...7 крат ~ 2*Ln(L/R). Некоторых сбивает с толку тот факт, что для такой "миниатюрной" вторичной катушечки, да еще столь "странно" расположенной, регистрируемая ЭДС/(на виток) "ничтожно" мала - скажем, всего (0,3 вольта)/(на виток) "сбоку" вместо, допустим (6 вольт)/(на виток) "посередке" стержня, т.е. эта j₂ раз в 10...20 меньше, чем у "обыкновенного" трансформатора. Они этими 0,3 в/виток просто пренебрегают, "одевают" вторичную обмотку, как обычно прямо на феррит скраю - радуются, что ЭДС/(на виток)  возрасла до 2...3 вольт - а потом удивленно спрашивают, где же "эффект Анквича"?! - А его и нет, поскольку Геометрия-то совсем не та, что указана Анквичем! Поэтому: увеличивайте число витков:  j₂ ~ (0,3в/виток) х 30витков ~10 вольт.

Этот эффект почти не зависит от конкретного ферромагнитного материала - он имеет место в любой "железке", в "любом" гвозде (проволока, арматура, рельс...). Для крупных генераторов (десятки и сотни киловат) удобнее рабочую частоту снизить всего до сотен герц (~1кГц) - тогда вполне подойдет и обычная тонкая (толщиной ~0,1...0,2мм) полосовая (рулонная) трансф.сталь: из рулона "нарезаем" полосы размером, допустим, 50мм х 1500мм и собираем их в стержень ~ 50 х 50 х 1500мм (~примерно 200...300 полос складываем вместе). Однако чем меньше мощность, чем меньше размеры "модельки" - тем вышедолжна быть рабочая частота (иначе ЭДС/на виток будет действительно уж "ничтожной" - не 0,3вольта, а 0,0003в/на виток , что действительно уж "не подходит"). Поскольку для моделек с P~ 0,01...0.1 кВт надо f_опт~0.3...3 мГц ~ 1 мГц то, ясно, практически пригодны только ферриты и только СВ-диапазона: 400-HH и т.п., "стержни для магнитных антенн". Все остальное, кроме геометрии, совершенно тривиально, общеизвестно и расчитывается точно по тем же "школьным" формулам, что и обычные ВЧ-трансформаторы, обычные резонансные LC-контуры. Во всех учебниках все правильно - кроме одной лишь "маленькой" поправки, что бывает  m_12<> m₂₁ , бывает L₁₂<>L₂₁ , что "ничего невозможного" в этом нет.

16