Трансформатор постоянного тока

on 08 May 2008.

 Есть некоторые вопросы, которые при всей их кажущейся абсурдности стоит обсуждать.

Преобразование постоянного тока в постоянный, но других параметров есть насущная потребность современной энергетики.

Трансформатор постоянного тока объявлен невозможным.

Автор попробует доказать, что такой трансформатор возможен.

Причем трансформацию (преобразование) энергии можно производить без всяких электронных схем, напрямую, с гальваническим разъединением цепей.

Рассмотрим процесс влияния движущегося заряда на другой заряд (или прибор), неподвижный в нашей лабораторной системе отсчета.

 


 

При движении заряда создается магнитное поле. При пролете частицы около  измерительного прибора будет зарегистрировано нарастание этого поля до некоторой величины, а затем спад его. То есть это поле не является постоянным ни по величине, ни по направлению.

 

Переменное магнитное поле, как известно, наведет в проводнике ЭДС, то есть создаст переменное же  электрическое поле. Если постепенно увеличивать число частиц, пролетающих около измерительного прибора, создать длинную цепочку таких частиц, непрерывно пролетающих одна за другой около прибора, то изменение магнитного поля нашими приборами вскоре не удастся зафиксировать, будет фиксироваться постоянное поле. 

Нарастание поля при приближении частицы должно быть.

Падение поля при удалении частицы должно быть.

Но вот тут стоит остановиться. При приближении  одиночной частицы было зафиксировано нарастание поля, при удалении - уменьшение. Следовательно, было зафиксировано ПЕРЕМЕННОЕ ПОЛЕ, ИМПУЛЬС ПОЛЯ. Но для любого переменного поля должен быть наблюдаем эффект Доплера, то есть энергия излучения, поступающая от приближающегося объекта должна быть  больше, чем энергия от отлетающего объекта. (Вообще-то эффект Доплера говорит о частоте сигнала - но поверьте, это одно и то же!).

И коль скоро это так для одной частицы, то это должно быть справедливо и для большого числа частиц, летящих друг за другом. Не вина наших приборов, что некоторая частота происходящих последовательно событий, воспринимается ими как одно длительно происходящее событие.

Нарастание и спад поля от отдельных частиц зафиксировать очень сложно. Еще более сложно (невозможно!) зафиксировать дискретность созданного пучком частиц поля.

Признав необходимость учета эффекта Доплера для определения величины и направления электрического поля (и магнитного, естественно), можно ожидать обнаружение некоторых эффектов, которые крайне трудно могут быть зафиксированы в проводниках с током,  в которых скорость носителей зарядов ничтожно мала, но которые явственно дают о себе знать в непосредственной близости от пучка релятивистских частиц.

Одним из интересных эффектов, по мнению автора, можно считать возбуждение ЭДС в проводнике, находящемся в непосредственной близости от луча релятивистских заряженных частиц  при неизменном количестве частиц в единицу времени. То есть, постоянный ток, образованный быстролетящими заряженными частицами, будет возбуждать постоянную ЭДС в параллельно расположенном проводнике!

В скорости носителей зарядов заключается различие между токами, образованными движущимися зарядами в вакууме, и токами, образованными зарядами, текущими в проводниках.

В ускорителе (или электронно лучевой трубке) скорость электронов непрерывно нарастает, поэтому эффекты будут зависеть от места их измерения. Вблизи катода скорость минимальна, поэтому и эффекты будут трудно обнаруживаемы, вблизи анода скорость максимальна и эффекты измеримы. И это несмотря на то, что величина тока остается неизменной! А в проводах, подводящих к трубке напряжение, Вы вообще ничего не зафиксируете!

Попытки в прошлом получить ЭДС от постоянных токов были обречены на неудачу. Все эксперименты с проводниками, скорость носителей зарядов в которых едва достигает миллиметра в секунду, не могли дать сколь-нибудь существенной разницы в полях приближающихся и удаляющихся частиц. Разделите 10-3м/с (скорость носителей) на 3*108 м/с (скорость света) и Вы получите коэффициент, определяющий силу взаимодействия  движущегося заряда в проводнике с током с неподвижным зарядом в контрольном проводнике. Уверяю Вас, на сегодняшний день при самой высококачественной аппаратуре  измерить это взаимодействие невозможно. {И ведь вот, что дико: начните с малой скоростью (10-20 сантиметров в секунду!) двигать как нибудь проводником (причем любым, что с током, что без) и чувствительный прибор покажет ЭДС! Маловато у нас Фарадеев!}

Заряженные  частицы "пушистые", поля от них (по теории) уходят в бесконечность и могут окончиться только на зарядах противоположного знака. При движении частицы поля отстают, точнее будет сказать, изменение поля на некотором расстоянии произойдет через время, необходимое, чтобы это изменение дошло до этой точки пространства. Изменение распространяется со скоростью света. Электроны даже и при 20 кВ имеют скорость практически световую. Поэтому воздействие от движущейся частицы принципиально не может быть симметричным по всем направлениям! Если бы в прошлом, когда творилась теория магнетизма и электричества,  были приборы, в которых ток создавался лучом электронов в вакууме, неизвестно, какие бы трансформаторы мы сейчас строили: электромагнитные или постоянного тока.

Постоянный ток создает постоянное магнитное поле. Точнее будет сказать, что величина этого поля, измеряемая нашими приборами на некотором расстоянии от проводника, не будет меняться с течением времени.  Но ведь это движущееся поле! Если бы мы имели магнит, площадь полюса которого была бы очень велика, и стали бы этот магнит перемещать перпендикулярно проводнику, то на его концах обнаружится ЭДС. А ведь величина поля не менялась! (униполярная машина - демонстратор).

 Луч заряженных частиц также создает перемещающееся в пространстве магнитное поле, неизменное по величине.

Луч заряженных частиц, кроме того, создает вокруг себя электрическое поле, движущееся в пространстве, но неизменное по величине.

Пробная частица, таким образом, находится в скрещенных взаимоперпендикулярных движущихся полях: электрическое радиальное от оси луча в бесконечность, и магнитное вихревое.

Будем для определенности считать, что и луч частиц и пробная частица (наш прибор) заряжены отрицательно. Как проявится тогда взаимодействие между ними?

Во-первых, они будут взаимно отталкиваться как одноименные заряды.

Во-вторых, как ни странно, они должны провзаимодействовать и посредством магнитного поля. Утверждение о том, что на неподвижный заряд магнитное поле не действует, в этом случае неверно. "Постоянное" магнитное поле пучка создано нарастанием и спадом элементарных  электрических полей от каждого пролетающего заряда в отдельности. Это движущееся поле! Причем скорость его перемещения равна скорости частиц.

Движущееся! электрическое поле породило движущееся! магнитное поле, но сложенное из очень маленьких кирпичиков, элементарных полей, это поле и движется отнюдь не со скоростью света, а лишь со скоростью породивших его частиц.

{И придумать мы можем тысячи устройств, в которых стационарный луч электронов летит в канале в среде, в которой скорость света много меньше, чем в вакууме (см. например, статью "Об одном гипотетическом способе ускорения частиц"). То есть "хвост" полей может отставать от луча как мы захотим! Но ведь если поймать кого-то за хвост, то мы его затормозим! А для электрона торможение обязательно будет сопровождаться излучением. Поэтому луч электронов, пролетающий в канале вещества (или рядом с ним), скорость света в котором меньше его скорости, будет непременно тормозиться и излучать! (А ведь это Черенковское излучение!). Простенький генератор электромагнитных волн, причем направленный (в конусе, конечно, в конусе)}.

Магнитное поле создано движущимися зарядами, следовательно, оно тоже движется. Неподвижная пробная частица находится в движущемся магнитном поле. Стационарность по величине не означает отсутствие движения. В униполярной машине диск вращается в постоянном поле между полюсами магнита, но между осью и периферией возникает ЭДС. Движение проводника в постоянном магнитном поле перпендикулярно этим линиям приводит всегда к появлению ЭДС, то есть направленному смещению зарядов.  Движение поля вызовет смещение пробного заряда. Частица ли движется в магнитном поле, или магнитное поле движется относительно частицы - какая разница! В данном случае пробная частица должна начать двигаться по окружности.

В-третьих, из-за несимметрии электрического воздействия набегающих и удаляющихся носителей зарядов пробный заряд будет увлекаться в сторону движения пучка частиц.

В-четвертых, из-за несимметрии магнитного взаимодействия (магнитное поле от набегающих частиц больше магнитного поля удаляющихся частиц, то есть создается неоднородное магнитное поле) будет происходить дрейф  пробной частицы перпендикулярно пучку, подтягиваться к нему.

Просуммируем воздействия. (Дрейф частицы в скрещенных полях. Однако, в движущихся полях!)

Пробный заряд отталкивается от пучка как от распределенного по длине пучка одноименного заряда и одновременно увлекается им в сторону своего движения, но движение это происходит не по прямой, а по дуге окружности, радиус которой определяется собственной скоростью частицы (сначала ноль, но затем ведь возрастает!) и величиной магнитного поля пучка, то есть током пучка, а общее направление смещения пробного заряда определяется скоростью частиц пучка.

Предположительно, по мнению Автора!, заряд будет навиваться на бегущий луч. Или плести свою маленькую спираль вдоль движения луча.

Если заряд пробной частицы поменять на противоположный, то изменится и направление смещения частицы. В таком случае она будет не увлекаться лучом частиц, а притягиваться к оси луча и навстречу движению. С тем же плетением кружев.

{Идеальный способ ускорения тяжелых частиц: два кольцевых ускорителя электронов (бетатроны, например) расположены с двух сторон мало энергичного луча ионов. Ионы ускоряются  полями лучей частиц бетатронов ДО СКОРОСТИ  ЭЛЕКТРОНОВ. Но так как масса иона (даже протона почти в 2000 раз больше массы электрона), то выигрыш по энергии в ускорении получается более чем на три порядка.} Ускоренные до 1 МэВ электроны дадут ускоренные до  1 ГэВ ионы! Причем все это бесконтактно, без столкновений, только за счет обмена энергиями полями лучей!

Чтобы уж до конца убедить читателя, что механизм будет именно таков, автор попробует описать этот процесс с точки зрения луча.

Луч заряженных частиц испытает воздействие от неподвижного заряда и отклонится. Следовательно, воздействие луча на частицу станет несимметричным. Поэтому частица получит импульс, имеющий две составляющие: как  перпендикулярно от луча, так и по ходу первоначального движения луча. Достаточно!

Атом состоит из частиц противоположного знака. Воздействие  луча электронов на расположенные вблизи него атомы вызовет их поляризацию. Электронные оболочки оттолкнутся, а ядра  притянутся к лучу, причем электроны оттолкнутся по направлению движения луча, а ядра притянутся навстречу хода луча.

(Великолепнейший способ выброса вещества за борт космического корабля (ДВИЖИТЕЛЬ): силы-то одинаковы что на ионы, что на электроны, но массы так различны! Электроны - это пыль, слетающая с вагонетки!). Кстати, почему космического? На корыте каком ни будь вполне можно установить такой движитель. Опять-таки два бетатрона, между ними канал для жидкости (пыли, ионизованного газа). И вперед... Или назад... В одну сторону ионы, в другую электроны.

Для отдельных частиц этот процесс хорошо проверен. Эффект Черенкова, используемый в десятках видов приборов, как раз и заключается в поляризации и последующей деполяризации атомов (или молекул) вещества, что сопровождается электромагнитным излучением. Конус  направленного излучения возникает только тогда, когда скорость частицы будет превышать скорость света в данной среде. При постепенном уменьшении скорости частиц будет наблюдаться раскрытие конуса излучения, пока (при скоростях,  меньших скорости света в среде) излучение не станет приблизительно равномерным во всех направлениях.

Поляризация будет происходить в направлении не перпендикулярном лучу, а под некоторым углом к нему, определяемым скоростью частиц луча (аналогично конусу излучения в эффекте Черенкова). А теперь представьте, что среда, через которую проносится поле луча релятивистских частиц, была возбуждена. Тогда встряска атомов или молекул неизбежно приведет к вынужденному излучению.

Замечательный способ накачки и  инициации излучения лазера!

Коль скоро поляризация в самых различных (не проводящих) средах точно происходит, то нет никаких сомнений, что она будет еще большей в расположенном рядом проводнике. {Почему, кстати, не поискать излучение Черенкова в металлах или полупроводниках? Оно должно быть очень интенсивным. Причем не надо пропускать луч через вещество- вполне достаточно, если луч будет проноситься РЯДОМ с веществом}.  Инерционность электронов намного меньше, чем инерционность тяжелых молекул или атомов среды, поэтому и эффект будет более ярко выражен.

В проводнике, параллельном лучу, наведется ЭДС. Если замкнуть концы проводника вне действия поля луча, то в этом контуре потечет постоянный ток. Вместо одного проводника могут быть взяты десятки и сотни параллельно расположенных проводников, в виде, например, тороидальной катушки, по оси которой проходит луч частиц. Катушка, очевидно, должна иметь конусность; угол конуса определится из того же эффекта Черенкова для конкретного материала проводника.

Луч, естественно, отдавая энергию, будет тормозиться.

При передаче энергии от энергонесущего луча к вторичным электронам процесс будет тем эффективнее, чем более свободны эти электроны. В идеале, они не должны взаимодействовать с другими частицами, например, ионами кристаллической решетки. Проще говоря, наиболее эффективно передача энергии будет происходить, если вместо проводника рядом с основным лучом будет пробегать мало энергичный луч тех же электронов. В ходе взаимодействия энергия этого вспомогательного луча доводится до нужного уровня и используется.

Конкретная конструкция может выглядеть, например, так.

В вакуумированной трубе создан поток (пучок, луч) быстрых электронов. В непосредственной близости от пучка, например, вокруг него, находится раскаленная спираль, производящая эмиссию электронов. Пучок захватывает вылетевшие из спирали электроны и увлекает в сторону своего движения. В конце трубы находится второй электрод (анод), выполненный, например, в виде кольца или сетки, на который не попадают  быстрые электроны, уходящие из трубы на другие ступени преобразования, но на котором оседают увлеченные их потоком и ускоренные эмитированные электроны. Между анодом и катодом возникает разница потенциалов. Во внешней цепи (вне действия поля быстрых электронов) включена нагрузка. Электроны с анода возвращаются  по этой цепи на катод, идет постоянный ток. Цепь замкнулась.

Таким образом, преобразование постоянного тока в постоянный, но других параметров, произведено. Цепи гальванически разъединены.

Возможно увеличивать энергию низкоэнергичного луча электронов высокоэнергичным  лучом (понижающий трансформатор!). Мощность=ток х напряжение. Число частиц возросло, ток возрос, но скорость вторичных частиц меньше первичных, напряжение упало.

Но возможно и увеличивать энергию тяжелых заряженных частиц мощным слабо энергичным лучом электронов! (Повышающий трансформатор!). Число частиц упало, энергия их возросла.

 Поверьте на слово Автору: как есть ускорители, так есть и замедлители частиц! Поэтому напряжение мы снимем какое захотим!

Итак, луч заряженных частиц имеет принципиально иные характеристики, чем ток в проводниках.

Во-первых, создаются движущиеся электрические и магнитные поля, причем скорость движения этих полей, например, для электронов практически световая при десятках киловольт. А для таких быстро движущихся полей и ЭДС фантастическая. Кроме того, выбором окружающей среды можно сделать поля сколь угодно отстающими от луча, потому что в веществе скорость электромагнитных волн меньше, чем вакууме.

Во-вторых, электрические и магнитные поля несимметричны для разных направлений.

В-третьих, заряженные лучи частиц (особенно релятивистские) создают гигантские  стационарные по направлению, но движущиеся поля. Влияние же этих полей на вещество, на химические реакции (это такая мелочь - например, катализ реакции кислорода с азотом!) на свет, на радиоактивный распад (должны радиоактивные элементы распадаться в таких гигантских полях!!!) изучено очень слабо (вообще не изучено!). Сейчас, когда созданы много амперные ускорители частиц, появляется реальная возможность воздействовать на вещество и поля совершенно другим способом, неожиданным, необычным, очень мощным.

Это позволяет создавать новые преобразователи энергии, ускорители частиц, новые лазеры, химические котлы и ядерные реакторы. А медицинское использование движущихся полей- не паханное поле для исследователей.

Мы знаем, что есть электрическое поле. Мы знаем что есть магнитное поле. Мы знаем, что есть электромагнитное поле. И мы готовы, осознаем влияние таких полей и проявление их. Но мы не осознаем еще (уверяю Вас!), что действие движущегося электрического поля отнюдь не такое, как мы ожидаем! Если бы заскорузлый мужик какой ни будь небритый в Древней Греции имел гальванометр, замкнул бы его концы длинным проводом    и провел вдоль провода натертым о шерсть янтарем, то он непременно бы зафиксировал ток! Да хоть бы и в зубы зажал концы провода, раз не изобрели тогда гальванометр! Зубы и ранки - это очень чувствительный прибор. И тогда, и тогда... Впрочем, мужиков небритых хватало не только в Древней Греции... Сейчас вообще модно ходить как Стетхейм... Да что толку! Факт тот, что и без вакуума и без релятивистских скоростей обезьяна  или неандерталец с куском янтаря могла бы получить очень интересные экспериментальные данные.

А ведь и двойной ламповый диод может (должен!) работать как преобразователь энергии постоянного тока. Эмитированные и ускоренные электроны первичной цепи будут подхватывать эмитированные вторым катодом электроны вторичной цепи, которые пойдут на свой анод. Во вторичной цепи пойдет постоянный ток, если цепь замкнута, то есть включена нагрузка.. Выбором напряжения накала как первичного катода, так и вторичного можно будет управлять процессом (коэффициентом передачи) в очень широких пределах. И, кстати, ограничивать ток в первичной цепи - какой-нибудь умник может захотеть работать практически в режиме короткого замыкания, чтобы обеспечить свой прибор нужным питанием. По рукам его, по рукам! Народные умельцы с домашними сварками уже сотню раз портили нервы и компьютер. И конструкционно и организационно следует добиться того, чтобы ток в первичной цепи вообще не шел, если не включена нагрузка во вторичной цепи. А при большой нагрузке, не оговоренной паспортом, вообще сгорала спираль.

Интереснейшая тема: создавать в лампе и анод и катод идентичными. То есть и анод и катод имеют спирали накаливания и ничем не отличаются. Что это даст? Возможность работать с переменными токами также. Итак, первичная цепь: два раскаленных электрода, эмитирующие электроны.  На них подается  первичное напряжение. Вторичная цепь: два раскаленных электрода, эмитирующие электроны, с них будет сниматься вторичное напряжение. Электроны вторичной цепи будут увлекаться электронами первичной цепи (причем за период произойдет смена направления движения), поэтому на вторичных электродах возникнет разница потенциалов.  Пожалуй, лучшее решение - это сдвоенные диоды, включенные антипараллельно (два первичных, антипараллельно два вторичных антипараллельно), потому что на горячий катод электроны будут очень плохо оседать...

Хотя, как знать, как знать... В лампах дневного света оба электрода раскалены, но это не мешает течь току. А в ртутных лампах высокого давления электроды раскаляются от бомбардировки ионами и электронами, но пропускают огромные токи, дают громадные мощности. Добавить в такую лампу еще пару электродов, пусть даже с внешним накалом - пара пустяков. Между тем, использование именно газонаполненных преобразователей более перспективно, потому что вакуумная техника уж очень жесткие требования предъявляет.

Кстати, Автор утверждал, что взаимодействие между лучами электронов или других заряженных частиц происходит на расстоянии, без столкновений, следовательно, он должен сделать и другое утверждение: не обязательно впихивать все в одну лампу, в одну колбу, лучи заряженных частиц провзаимодействуют и между ДВУМЯ лампами, расположенными рядом. Это не проводники с ничтожной скоростью носителей. И электроны и ионы имеют громадные космические скорости и при 200 В. Поэтому взаимодействие неизбежно.

У нас в сети переменное напряжение, поэтому уменьшить габариты и удешевить сетевые преобразователи -   важная задача.

И сдвоенный полупроводниковый диод должен работать как преобразователь (трансформатор) энергии постоянного тока. Один кристалл, на котором расположены два диода. Один диод включен в первичную цепь, второй во вторичную. Взаимодействие будет передаваться через кристалл. А если и в первичной и во вторичной цепи включать пары диодов антипараллельно, то можно работать и с переменными токами. Но все это на одном кристалле).

Предполагаемые конструкции

1. Высокоэнергичный луч электронов есть первичная цепь, проводник - вторичная цепь..

2. Луч электронов первичная цепь - облако тепловых электронов (или малоэнергичный луч) -  вторичная цепь.

3. Луч электронов первичная цепь - ионизированный газ вторичная цепь.

4. Ток в ионизированном газе первичная цепь - ионизированный газ, или луч электронов, или проводник - вторичная цепь.

5. Диод на кристалле (первичная цепь) - второй диод на этом же кристалле -  вторичная цепь.

6. Экзотический вариант.Движение заряженного тела над проводником с малой скоростью.

Пусть мы имеем соленоид из большого числа витков. Внутрь соленоида помещен непроводящий цилиндр. На цилиндр нанесены проводящие пластины (пусть, для определенности,  10 шт.). На пластины подается высокое напряжение , скажем 1000 В (поочередно + и -).  Пусть емкость, образованная каждой пластиной с соленоидом, составляет 0,1 мкФ.  Цилиндр приводится во вращение с частотой 3000 об/мин. Какой величины мощность удастся передать? Какую мощность снимем с соленоида?

Заряд, который захватывает каждая пластина на соленоиде СU=0,1*10- 6*1000В=10-4 Кулона. За секунду пройдет 3000/60=50 раз. От одной пластины, ток, следовательно, 5*10-3 А. От десяти пластин 5*10-2 А. Напряжение придется приписать 1000 В. Поэтому мощность 50 Ватт. Кроме всего прочего ток не постоянный, а переменный 50*10*N(число витков в катушке). Если взять число витков в соленоиде  1000, частота тока в цепи будет 500 000 Гц.

Бредово? В кунсткамеру!

Нужен ли трансформатор (преобразователь) постоянного тока, стоит ли тратить силы и энергию, чтобы преобразовывать постоянный ток? Стоит ли вообще искать другие (нетрадиционные) пути преобразования энергии? Трансформаторы с их магнитопроводами громоздки, материалоемки, но досконально разработаны.

Напомним, что передача энергии по проводникам переменным током зависит как от их активного, так и реактивного сопротивления. Реактивное сопротивление определяется индуктивностью проводника, его емкостью и частотой тока в цепи. Так как емкость проводников достаточно мала, то индуктивность является основным ограничивающим фактором при передаче  переменного тока. Именно потому, что провода обладают значительной индуктивностью, невыгодно передавать энергию на большие расстояния переменным током.

Кроме того, можно по разному передавать  одно и то же количество энергии: при низком напряжении, но большим током (это потребует увеличение сечения проводов), или при высоком напряжении, но малыми токами (по малому сечению проводников).

И разница тут колоссальная! Выбор конкретной системы передачи энергии означает экономию или потерю миллиардов!

Вывод уже давно сделан: предпочтительно использовать максимально возможное  постоянное напряжение. Но преобразователи постоянного тока в переменный (и наоборот) стоят тоже очень и очень немало.

Практически, несмотря на явную потребность общества,  вопрос об экономичном преобразовании энергии постоянного тока не решен. Причем как для энергетики, так и для электроники.

Поэтому рассмотрение как предлагаемой автором, так и других схем могло бы существенно продвинуть нас как в экономии, так и в значительном упрощении рабочих схем преобразования энергии.