Ядерный магнитный резонанс - ямр. Токи высокой частоты. Резонансный трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты

Цели

После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать резонансную частоту резистивно-индуктивно-емкостной схемы и выполнять измерения в схеме для определения существования условия резонанса в схеме.

Необходимые принадлежности

* Осциллограф

* Цифровой мультиметр

* Макетная панель

* Генератор функций

* Элементы:

одна катушка индуктивности 10 мГн, один конденсатор 0, 22 мкФ, один конденсатор 0, 47 мкФ, один резистор 100 Ом.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Резонанс - это такое состояние резистивно-индуктивно-емкостной схемы, когда индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление одинаковы. Поскольку эти реактивные сопротивления одинаковы, они полностью компенсируют друг друга. При резонансе имеют место многие специальные эффекты. Например, в силу того, что реактивные

сопротивления полностью гасят друг друга, схема проявляет себя как полностью резистивная.

Вы сможете обнаружить резонансные схемы почти во всех типах электронного оборудования. Они широко используются для выполнения различных задач настройки и фильтрации в электронном оборудовании. В данном эксперименте Вы рассмотрите эффект резонанса как в параллельных, так и в последовательных схемах.

Последовательный резонансный контур

Последовательный резонансный контур представлен на рисунке 22-1. Вспомните, что при наличии резонанса в схеме индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление полностью компенсируют друг друга, и сопротивление току оказывает одно лишь активное сопротивление схемы. В такой схеме полное сопротивление попросту равно значению R плюс сопротивление постоянному току катушки. Главной характеристикой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.

Поскольку при резонансе в последовательном резонансном контуре полное сопротивление минимально, ток в контуре возрастает до пиковой величины. Эта большая величина тока при ее умножении на индуктивное сопротивление и на емкостное сопротивление дает очень высокие падения напряжения на катушке индуктивности и на конденсаторе. В действительности падения напряжения на катушке индуктивности и на конденсаторе

в условиях резонанса часто значительно превышают напряжение питания. Эти необычайно высокие при резонансе напряжения называются скачками напряжения при резонансе или резонансными повышениями напряжения.

Рис. 22-1. Параллельный резонансный контур

Параллельный резонансный контур представлен на рисунке 22-2. Конденсатор и катушка индуктивности соединяются параллельно друг с другом, и вся комбинация иногда соединяется последовательно с резистором. Поскольку при резонансе индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление полностью компенсируют друг друга, схема обнаруживает очень значительное активное сопротивление. В такой схеме полное сопротивление параллельного индуктивно-емкостного контура возрастает до многих тысяч Ом при резонансе. При частотах, превышающих или лежащих ниже резонансной частоты, полное сопротивление уменьшается.

Рис. 22-2.

Если Вы измерите линейный ток в резисторе, соединенном последовательно с параллельным резонансным контуром, Вы обнаружите, что ток достигает минимума в условиях резонанса. Это происходит вследствие того, что при резонансе полное сопротивление максимально,и,следовательно, это приводит к формированию минимальной величины тока через контур. При изменении частоты в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается, и линейный ток возрастает.

Полное сопротивление параллельного резонансного контура вычисляется на основании следующей формулы:

В этой формуле: R - сопротивление катушки индуктивности L. Например, если L = 2 мГн, С = 0,05 мкФ и R = 5 Ом, полное сопротивлений Z равно:

Z = 2 х 10^-3 / (0,05 х 10 ^-6)(5) Z = 8000 Ом

Вы можете также использовать такую формулу:

Z = Rw(Q^2 + 1)

где: Rw- это сопротивление обмотки катушки индуктивности и Q = Xl/Rw.

Краткое содержание

Как было указано ранее, в данном эксперименте Вы соберете последовательный резонансный контур и параллельный резонансный контур, а также познакомитесь с некоторыми из упомянутых эффектов. Вы практически рассчитаете резонансную частоту (fг) при заданных значениях индуктивности и емкости. Это осуществляется при помощи следующей формулы:

fr = 1 / 2*3.14(LC)^0.5

ПРОЦЕДУРА

1. Обратитесь к рисунку 22-3. Рассчитайте резонансную частоту при заданных значениях, показанных на рисунке.

Рис. 22-3.

fr=______Гц

2. Прежде чем собирать схему, измерьте сопротивление катушки индуктивности. Это сопротивление оказывает влияние на полное сопротивление схемы.

Активное сопротивление катушки индуктивности = ____ Ом

ПРИМЕЧАНИЕ: Данные, полученные в шагах 3-11, должны заноситься в таблицу на рисунке 22-4, как указано ниже.

3. Вычислите полное сопротивление схемы при резонансе. -апишите Ваш результат.

Рис. 22-4.

5. -ная частоту входного сигнала, определите значения индуктивного и емкостного сопротивления. Используя резонансную частоту, которую Вы рассчитали в шаге 1, вычислите определите значения индуктивного и емкостного сопротивления при резонансе. -апишите Ваши результаты.

6. Теперь вычислите падения напряжения на каждом из компонентов схемы на базе значений, полученных в шаге 5. -апишите Ваши результаты.

7. Соберите схему, показанную на рисунке 22-3. При помощи регулятора амплитуды на генераторе функций сформируйте значение размаха напряжения 4 В.

8. При помощи осциллографа осуществляйте мониторинг (текущий контроль) напряжения на резисторе 1000м. Во время мониторинга напряжения добейтесь максимального значения напряжения настройкой регулятора частоты на генераторе функций. Выполняйте Ваши настройки медленно и позволяйте показаниям мультиметра установиться, прежде чем переходить к каждой новой настройке. ПРИМЕЧАНИЕ: настройка на максимальное значение - процесс очень медленный и утомительный, потратьте однако Ваше время, чтобы получить наиболее точные результаты. Продолжайте настройку до тех пор, пока Вы не получите это максимальное напряжение. В результате Вы получили настройку генератора функций на резонансную частоту схемы. Объясните, почему данная процедура используется для нахождения fr .

9. Выполните повторный контроль, чтобы убедиться, что размах выходного напряжения генератора функций составляет 4 В. Если необходимо, снова отрегулируйте выходное напряжение на это значение и повторите при этом шаг 8.

10.После того, как схема настроена в режим резонанса, измерьте падения напряжения на каждом из компонентов. -апишите их значения.

11.Сделайте разрыв в схеме в том месте, где конденсатор 0,22 мкФ соединяется с катушкой, как

Вы это делали в предыдущем эксперименте. Это позволит Вам включить в схему мультиметр для измерения тока в схеме. Переключите Ваш мультиметр для измерения переменного тока. Установите предел измерения 2 мА. Измерьте ток в схеме и запишите Ваш результат.

12. Теперь сравните Ваши расчетные и измеренные значения. Они должны быть одинаковыми или, по крайней мере, очень близкими. Объясните возможные различия.

13. В процессе измерения тока в последовательном резонансном контуре варьируйте выход генератора функций при помощи регулятора частоты. Поворачивайте ручку медленно против часовой стрелки для уменьшения частоты и замечайте влияние на величину тока. Регулировка частоты должна выполняться настолько медленно, чтобы Вы могли наблюдать за изменениями показания мультиметра, так как требуется несколько секунд, чтобы показания установились после каждого нового изменения частоты.

Далее поворачивайте ручку медленно в направлении по часовой стрелке для увеличения частоты и снова замечайте влияние на величину тока. При изменении частоты выше или ниже резонансной частоты Вы обнаружите значительные вариации тока. Во время наблюдения за этими вариациями определяйте сразу, каким образом частота влияет на ток схемы.

14. Снова соедините катушку и конденсатор 0, 22 мкФ.

15. Присоедините измерительные выводы осциллографа к конденсатору и к катушке индуктивности одновременно. Варьируйте частоту при. помощи регулятора частоты на генераторе функций, чтобы получить минимальный уровень напряжения. Когда будет достигнуто минимально возможное напряжение, схема настроена в резонанс. -аметьте положение указателя, регулятора частоты на генераторе функций. Объясните, что Вы здесь получили;

16. Удалите конденсатор 0, 22 мкФ из макетной панели и на его место установите конденсатор 0, 47 мкФ. Вычислите резонансную частоту этой новой комбинации.

fr=____Гц

При увеличении емкости в схеме до 0,47 мкФ резонансная частота:

_________ увеличивается

_________ уменьшается

17.Снова присоедините измерительные выводы осциллографа к комбинации конденсатора и катушки индуктивности. Варьируйте частоту при помощи регулятора частоты на генераторе функций, чтобы получить минимальный уровень напряжения. Когда будет достигнуто минимальное напряжение, заметьте то направление, в котором Вы повернули регулятор генератора функций. Частота в данном случае выше или ниже, чем раньше? _________ выше

_________ ниже

Соответствует это результатам, которые предсказаны Вами в шаге 16?

18.Соберите параллельный резонансный контур, схема которого представлена на рисунке 22-5.

Аметьте, что два конденсатора включены последовательно и их комбинация соединена параллельно с катушкой индуктивности. Это соединение образует параллельный резонансный контур, в котором два последовательно включенных конденсатора имеют единственное эквивалентное значение емкости. -атем параллельный резонансный контур соединен последовательно с резистором 1 кОм, и вся полученная комбинация подключена к генератору функций.

Рис. 22-5.

19. Вычислите резонансную частоту данной схемы. Индуктивность известна, но Вам требуется вычислить полную емкость схемы (Ст). Вспоминая, что Вы узнали ранее о последовательном включении конденсаторов, вычислите сначала полную емкость схемы. -апишите это значение. После этого вычислите резонансную частоту данной схемы и запишите Ваш результат в предусмотренное поле.

Ст = _______мкФ

fr= _______Гц

20.Используя формулу, приведенную ранее для полного сопротивления параллельного резонансного контура, найдите это полное сопротивление. Используйте значение сопротивления катушки, которое Вы измерили в шаге 2.

Z =_______ Ом

21.Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал с частотой 3 кГц. При помощи регулятора амплитуды на генераторе функций сформируйте значение размаха напряжения 4 В.

22.Осуществляйте мониторинг напряжения на резисторе 1 кОм при помощи осциллографа. -атем, варьируя частоту при помощи ручки регулятора частоты на генераторе функций, добейтесь минимального напряжения. Как и раньше, делайте это медленно и шагами. Слегка измените частоту и заметьте новое показание напряжения после того, как оно стабилизируется. Продолжайте настройку вперед и назад, пока Вы не добьетесь такой частоты, при которой напряжение минимально. Вы получили при этом резонансную частоту. -апишите в этот момент величину напряжения, которое Вы измерили на резисторе 1 кОм. Vr=_______В

23. -ная значение величины напряжения на резисторе с известным сопротивлением, Вы можете теперь вычислить величину полного тока схемы, используя закон Ома. Сделайте теперь вычисление и запишите значение величины тока.

способ сделать эти - просто прикоснуться испытательными выводами параллельно катушке индуктивности.

VLc= _______В

25.-ная значение величины напряжения на параллельном резонансном контуре и ток, который Вы нашли вычислением в предыдущем шаге, Вы можете теперь вычислить величину полного сопротивления индуктивно-емкостного контура. Сделайте теперь это вычисление и запишите Ваш результат.

Z=_______Ом

Как это значение соответствует значению, которое Вы нашли в шаге 20?

26.Сложите падение напряжения на резисторе 1 кОм и падение напряжения на параллельном резонансном контуре. Равна ли приблизительно эта сумма величине напряжения источника? Объясните Ваш ответ.

27.Соедините измерительные выводы вашего осциллографа с параллельным контуром, прикасаясь ими к двум выводам катушки индуктивности. Вращайте ручку регулятора частоты на генераторе функций в одну и в другую сторону от резонансной частоты и следите за изменением выходного напряжения. Ручку поворачивайте медленно из полностью выведенного в направлении против часовой стрелки положения в полностью выведенное в направлении по часовой стрелке положения, а затем назад, и так несколько раз, чтобы заметить эффект. Объясните вариации напряжения, которые Вы наблюдаете.

28.Выключите генератор функции, но схему пока не разбирайте.

ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Если конденсаторы 0,22 мкф и 0,47 мкФ подключены параллельно к катушке индуктивности 10 мГн, резонансная частота контура составляет:

2. Резонанс в последовательном контуре обнаруживается по:

а) максимальному току,

б) максимальному полному сопротивлению,

в) минимальному току,

г) нулевому току.

3. При резонансе параллельный резонансный контур ведет себя как:

а) резистор с малым сопротивлением,

б) резистор с большим сопротивлением,

в) катушка индуктивности,

г) конденсатор.

4. Каково полное сопротивление параллельного резонансного контура с L = 5 мГн, С == 0,001 мкФ и R =40м?

г) 1,25 МОм.

5. При резонансе в последовательной резистивно-индуктивно-емкостной схеме полное сопротивление равно:

а) XL или Xc

б) сопротивлению катушки индуктивности,

г) сопротивлению катушки индуктивности плюс сопротивление резистора.

Инструкция для желающих потрогать ферро-резонанс "своими руками"

Для приведенного описания взят транс 150 Вт сердечник стержневого типа, на котором по обе стороны две катушки. Левая половина сетевой обмотки (130 вольт сопротивлением 7,7 Ома). Диаметр провода 0,5 мм, сечение 0,2 мм кв., индуктивность 0,2 Гн, такая же обмотка с правой стороны использовалась для подключения нагрузки лампы накаливания 220в на 100ват. Замеряем величину индуктивности резонансной катушки. Прибор любого производителя. Если не известно напряжение обмоток а их много вбирают ту, у которой наибольшая индуктивность (будет меньше емкость а значит дешевле). По замеренной индуктивности и рабочей частоте найдем реактивное сопротивление обмотки. Индуктивность 0,2 Гн, частота 50 Гц по сопротивлению емкость резонансного конденсатора:

Можно ставить расчетный, но чтобы попасть в насыщение сердечника емкость увеличивают на 15…20 % (поясню ниже). Теперь мы готовы к сборке схемы. Смотри рисунок съем мощности с дросселя. Включаем латер и плавно увеличивая напряжение смотрим на лампу. При входе схемы в резонанс яркость лампы увеличивается скачком. Это контур вошел в резонанс и начал черпать из гравитационного поля земли или по Мельниченко из магнитопровода. Но нам, строителям вечняка, сейчас по барабану, где он ее черпает. Главное побольше. Теперь можно крутить латер в сторону уменьшения и лампа будет гореть с постоянным свечением до определенного момента а потом скачком погаснет. Схема вышла из резонанса. Не спешите искать халяву, поработайте на разных режимах измерьте токи и напряжения в разных точках попробуете разные емкости. В общем, почувствуйте схему. Но долго работать со схемой не получится, т.к. дроссель перегревается и дымит. И чем больше насыщение сердечника, тем быстрее нагрев. Трансформатор (дроссель) не рассчитан на работу в резонансном режиме. На форуме Сергей пишет у него нет нагрева. Давайте прервемся и попробуем разобраться. Построим вольт амперную характеристику (ВАХ) контура. Для этого совместим на одном графике ВАХ дросселя и ВАХ емкости. Подключают дроссель к латеру и, меняя напряжение на дросселе и замеряя ток, для каждой точки строим ВАХ характеристику достаточно 4…6 точек. На практике выглядит так. К латеру подключают только дроссель и увеличивая напряжение с шагом 20… 30 В строят ВАХ. До начала насыщения дроссель работает тихо и токи малы на этом участке характеристика линейна и тут хватит двух точек, при подходе к точке насыщения появляется легкий гул и заметно возрастает ток тут тоже поставить одну точку далее уверенно гудит ток растет быстрее напряжения тут тоже хватит двух трех точек после все точки соединяем плавной кривой (L на рис 6).

По этому графику легко найти величину емкости для резонанса(точка тр на рис. 6) или с помощью латера построить на этом же графике ВАХ кондера хватит двух точек так она линейна. (50мкф на рис. 6) по разности напряжений ВАХ дросселя и кондера строится результирующая ВАХ резонансного контура (Красная кривая на рис. 6) по этой характеристике видно как на карте точки входа схемы в резонанс(Т2 рис. 6) выхода из него (Т3 рис.6) токи при которых схема работает в резонансе(от т4 до т3), короче не проводя глобальных расчетов можно найти любой параметр. На рисунке 6 ВАХ для моего транса. Точка нн начало насыщения сердечника. Точка тр пересечение характеристик катушки и емкости линия резонанса.

При напряжении Uр=85 В вход в резонанс скчком из т2 в т4 ток при этом подпрыгивает с 0,8 до 3,4 Ампера. А дроссель расчитан на 1А куда идет лишка - в нагрев. То есть для нормальной работы дросселя нужно увеличить сечение провода. Теперь уменьшим емкость резонансного конденсатора до 30 мкф. Рис 9.

ВА смещается к началу насыщения сердечника а прыжек тока уменьшается до 2 А. при дальнейшем уменьшении емкости система может не войти в резонанс или резонанс будет неустойчив. При увеличении емкости картина будет противоположной (см график емкость 90 мкф).

Выбирай но осторожно. думаю понятно имея характеристики разных катушек и емкостей можно высчитать поведение контура даже не включая его в розетку.

Соберем схему резонанса напряжений с отбором нагрузки со вторичной обмотки. В качестве нагрузки удобно использовать лампы накаливания ват по 20…40 увенчивая мощность параллельным включением. Дешево а главное наглядно. Введем схему в резонанс при 85 В т4 рис 6. И начнем увеличивать нагрузку. И вот он катаклизм и парадокс. Нагрузка растет а мощность потребления контуром падает. Контур движется из т4 в т3 и далее выход из резонанса

Нагрузку можно воткнуть и в параллельный контур (резонанс токов). Результат будет аналогичный только прыжок не по току а по напряжению. контур надо питать источником тока. Подойдет или мощный реостат или емкость в виде баластника.

Все графики сделаны по реальным испытаниям резонанса проведены 2005 г. при разных значениях емкостей 45,50,90 мкф. Поэтому любой параметр ток или напряжение можно взять из графика. При нагрузке сто ват (схема на фото) Из розетки тянет восемьдесят. И это на стандартном трасе. Думаю что проще уже некуда. Фото сделал вчера. Собрал на скорую руку, благо транс валялся, хоть и разобранный, но рядом.

Насчет простоты. Ясно, что это для красного словца. Даже проведение таких простейших опытов требуют времени и материальных затрат. Трансы хоть и бу но не дешевы. Конденсаторы больших емкостей еще дороже. Кстати, о емкостях - это только фазосдвигающие кондеры для моторов или гасители реактивной мощи. Электролиты не годятся. И еще питание резонансного контура от сети это явное расточительство и годится только для наработки опыта. Это можно проверить Если запитать рез контур через диод (диод помощнее), то есть половиной синусоиды контур упорно продолжает выдавать синус. Вспомним тесла питание его катушек только от однополярных импульсов а это блокинг-генератор.

Тому, кто хочет строить доказательную схему или мини черпачок. Схему резонанса токов (она лучше всех подходит) запитать от блокинг-генератора катушки, которого можно намотать прямо на железо дросселя. Можно, как у М, выполнить отдельным блоком. Частоту поднять, но для железа не выше килогерца оптимально 400 Гц. Совет тем у кого, как говорят, выпадает из резонанса под нагрузкой. Для начала получите результат на конкретную нагрузку. Лампа накаливания или двигатель.

Группа разработчиков на Смоленщине. Они использовали принцип описанной выше конденсаторной установки. Примерная схема устройства приведена на рис.5. Здесь также от источника колебательной энергии подаётся ток на три последовательно соединённые конденсатора С1, С2, С3. Заряд их пластин колеблется в такт источника раскачки колебаний, но С2 включён схемой в цепь высоковольтной обмотки бытового трансформатора в виде колебательного контура. Естественно, колебательный контур С2 с обмоткой трансформатора воспринимает "маленькие порции" раскачки, и уже сам собой, в результате резонанса с эфиром, начинает выдавать необходимую мощность во вторичную обмотку на полезную нагрузку ~ 220 V. Схема предельно простая, это надо отдать должное "сообразительности" смоленских "парней". Здесь сравнительно небольшой раскачки источника колебаний вполне хватает для резонансного возбуждения силовых колебаний тока в данном контуре, а с вторичной обмотки трансформатора можно спокойно снимать трансформированный ток на любую полезную нагрузку. Возможно, что сам Тесла использовал этот приём для привода своего электромобиля в движение, недаром же он покупал радиолампы в магазине, которые и являлись источником колебательной энергии для обкладок конденсаторов, а индуктивность статорной обмотки тягового электродвигателя служила основной частью колебательного контура – источника тока (вместо первичной обмотки трансформатора в схеме рис.5). А сейчас поговорим о главном – о величине мощности раскачки эфира вокруг ёмкостей и индуктивностей с целью получения свободной энергии (реактивной мощности), поисками которой заняты специалисты во всём техническом мире. Сначала рассмотрим теоретическую сторону вопроса.

Поскольку формула реактивной мощности для любой обмотки Q = I^2*2П*F* L,

Где I -величина тока, F - частота тока, L- индуктивность. Величина L задана геометрией обмотки трансформатора или контура, её изменять трудновато, но её и использовал Капанадзе. Другая величина - частота F может изменяться. В реактивной мощности она задаётся частотой электростанции (источником колебаний), но с увеличением её увеличивается мощность свободной энергии, значит, разумно её повышать при раскачке индуктивности. А раскачать индуктивность по частоте, для получения и повышения тока I необходим конденсатор, подключённый к индуктивности. Но, чтобы начать раскачку контура, нужен первоначальный импульс тока. А его сила, в свою очередь, зависит от активного сопротивления самой обмотки, сопротивления соединительных проводов и, как не удивительно, волнового сопротивления этой цепочки тока. Для постоянного тока этого параметра не существует, а для переменного обязательно возникает и ограничивает наши возможности, а с другой стороны помогает нам. Из уравнений длинных линий связи известно,-волновое сопротивление движения для любой электромагнитной волны по проводам должно быть согласовано с сопротивлением нагрузки в конце линии. Чем лучше согласование, тем экономичнее устройство. В контурах, состоящих из ёмкости и индуктивности, из которых состоит "тесловка", волновое сопротивление определяется величиной которая, если её поделить на активное сопротивление проводников, в принципе, является добротностью контура, т.е. числом, показывающим во сколько раз напряжение в катушке контура возрастает по отношению к задающему напряжению от генератора электростанции (источника раскачки).

Zв = КОРЕНЬ (L / С),

Вот этим принципом и пользовался Тесла, изготавливая катушки всё более солидные по размеру, т. е. увеличивая, и увеличивая L - индукцию катушки и чисто интуитивно стремился к волновому числу Zв = 377 Ом. А это и есть волновое сопротивление не чего нибудь, а обыкновенного эфира по Максвеллу, хотя его конкретную величину определили позднее исходя из условий распространения электромагнитных волн в атмосфере и космосе. Приближение к этому числу волнового сопротивления уменьшает мощность раскачки. Отсюда всегда можно хотя бы приблизительно вычислить даже частоту колебаний самого эфира, при которой требуется минимальная энергия раскачки от электростанции для "тесловки" вырабатывающей реактивную энергию, но это отдельная тема рассмотрения.

В будущем видится предельно простой генератор тока для любых мощностей. Это трансформатор приемлемой мощности, первичная обмотка которого подсоединяется через рассчитанный конденсатор (с соответствующей реактивной мощностью) к источнику электрической раскачки сравнительно небольшой мощности, работающего при запуске от аккумулятора. Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и инвертор выдаёт в расходную сеть необходимый ток с частотой 50 Герц для потребителей и одновременно питает, минуя аккумуляторы, схему раскачки, точнее сам себя (по рис.5.). Сейчас это кажется нереальным в силу закона сохранения энергии, поскольку не учитывается действие эфира, однако в ближайшем будущем такие установки будут широко распространёнными в быту и на производствах. Реактивная мощность, точнее свободная энергия эфира, подчеркнём, эфира Максвелла и Кельвина, должна и будет работать на людей в полной мере, как это предсказывал великий Никола Тесла. Время, которое он предвидел, уже наступило благодаря воспитанной промышленностью громадной армии специалистов электриков и интернету, позволяющему обмениваться мировым опытом.

Еще в начале этого века Аркадьев (7] высказал мысль, что в переменных магнитных полях в ферромагнитных телах должен наблюдаться резонанс элементарных носителей магнитного момента - естественный ферромагнитный резонанс, и он же впервые наблюдал подобный ферромагнитный резонанс в железных и никелевых проволоках. Впервые объяснение этого явления было дано Дорфманом (13]. В 1935 г. Ландау и Лифшиц разработали общую теорию поведения ферромагнитных кристаллов в переменных магнитных полях с учетом структуры ферромагнитных областей и получили формулу для ферромагнитного резонанса. Позже Киттель , обобщив результаты исследования Ландау и Лифшица, учел действие поверхности образца и магнитной анизотропии и получил для резонансной частоты формулу

где - гиромагнитное отношение элементарных носителей магнитного момента, постоянное магнитное поле, направленное по оси составляющая намагниченности насыщения вдоль этого направления, размагничивающие факторы вдоль осей члены, учитывающие влияние магнитной анизотропии.

В частном случае, когда, например, образец представляет собой тонкую пластинку и поле направлено параллельно плоскости пластинки, Пренебрегая поправками на анизотропию формулу (14.1) запишем

Если внешнее поле направлено перпендикулярно плоскости пластинки, то Резонансная частота определяется в этом случае так:

Для образца в форме шара имеем

Поправочные члены в общем случае имеют сложный вид , но для кристаллов кубической формы, если плоскость совпадает с плоскостью , эти члены определяют по следующим простым формулам:

где угол между полем и направлением , а постоянная анизотропии.

Формулы (14.5) дают возможность определить константу анизотропии.

Ферромагнитный резонанс во внешнем магнитном поле в никеле и железо-кремневых сплавах изучал Завойский , который создал высокочувствительную установку, основанную на методе вариации потерь в контуре. Почти одновременно этот эффект в ферромагнитных металлах обнаружил Гриффите . Он применял для этой цели волновод с полым резонатором. В дальнейшем это явление было исследовано в других металлах и в ферромагнитных полупроводниках - ферритах . В этих и многих других работах определяли ширину резонансной линии и ее изменение с температурой и рассчитывали гиромагнитное отношение у или значение фактора Ланде Оказалось, что между значениями определенными из опытов по ферромагнитному резонансу и из гиромагнитных опытов, есть расхождение. В последнее время ферромагнитный резонанс исследовали в ферромагнетиках нового типа, ферритах со структурой граната . У ферритов-гранатов обнаружена самая узкая ширина резонансной линии

Ферромагнитный резонанс можно исследовать при помощи резонансной полости, в которую помещают исследуемый металл в форме пластинки или образец из его порошка. При этом производят измерение добротности полости. На рис. 111 показана принципиальная схема установки для исследования ферромагнитного резонанса, которая была применена в работе .

Источником высокочастотных колебаний является клистронный генератор 1. Прямоугольные колебания подают на отражатель, который модулирует высокочастотные колебания. Калиброванный аттенюатор 3 регулирует амплитуду этих колебаний, которые частично отражаются резонансной полостью, расположенной на одном конце волновода. Отраженная мощность микроволнового

излучения поступает в кристаллический детектор 12 через направленный ответвитель 4 и выпрямляется. Затем выпрямленный сигнал проходит через узкополосный усилитель 14 и синхронизированный детектор.

При отражении высокочастотных колебаний от резонансной полости образуются стоячие волны, коэффициент которых можно измерить при помощи индикатора стоячих волн.

Рис. 111. Блок-схема установки для изучения ферромагнитного резонанса: 1 - клистрон, 2 - генератор прямоугольных колебаний, 3 - калиброванный аттенюатор, 4 - направленный ответвитель, 5 - индикатор стоячей волны, 6 - слюдяное окошко, 7 - трубка, соединяющаяся с насосом, 8 - охлаждающая водяная рубашка, 9 - полюсные наконечники электромагнита, 10 - резонансная полость, 11 - печь, 12 - кристаллический детектор, 13 - аттенюатор, 14 - узкополосный усилитель, 15 - синхронизированный усилитель, 16 - спектральный анализатор, 17 - катодный осциллограф, 18 - исследуемый образец

Для определения частотных характеристик кристаллического детектора 12 и усилителя 15 используют калиброванный аттенюатор 3. В случае необходимости высокочастотные колебания можно направить в спектральный анализатор 16, где с помощью волномера измеряется частота. Резонансная полость 10 прямоугольного сечения является частью волновода. С одной стороны она заканчивается пластиной из ферромагнитного материала, а с другой - связана с окошком волновода, через который можно возбуждать колебания определенного типа. Следует отметить, что размеры диафрагмы (окошка) выбирают таким образом, чтобы резонансная полость имела слабую связь с волноводом. Отраженная мощность излучения должна составлять 10-20% падающей мощности.

Резонансную полость с образцом помещают в пространство между полюсами 9 электромагнита, создающего постоянное магнитное поле напряженностью до 1,6» 106 а/л. Ширина зазора между полюсами электромагнита позволяет поместить там резонансную полость вместе с печью 11 для проведения исследования при различных температурах. Температуру измеряют с помощью

платино-родиевой термопары, один конец которой прикреплен к торцовой стенке резонансной полости. Для предохранения стенок полости от окисления в ней создан вакуум порядка

Волновод охлаждается проточной водой, которая протекает через охладительную рубашку.

При проведении эксперимента необходимо особое внимание уделить изготовлению образца из исследуемого материала. При этом следует помнить, что образцы не должны иметь внутренних напряжений и поверхностных загрязнений, так как глубина проникновения высокочастотного электромагнитного поля равна приблизительно Для изготовления образцов можно использовать электролитическую фольгу толщиной После того как из фольги будут вырезаны образцы нужных размеров, их припаивают золотом к держателю из меди, имеющему вид диска, и подвергают температурному отжигу в течение часа при -Затем образец вместе с печью медленно охлаждается до комнатной температуры. Чтобы поверхность образца была гладкой, ее полируют. После всех этих операций образец припаивают серебром к концу волновода. Следует помнить, что припой не должен проникать на внутреннюю поверхность стенок волновода. Поэтому пайку следует проводить аккуратно и желательно в атмосфере очищенного водорода. Чтобы убедиться в правильности проведенной пайки, нужно провести исследование с другой полостью, в которой образец плотно прижимается к узкому краю стенки волновода. При измерениях частота медленно изменяется до тех пор, пока минимальное отражение в направленный ответвитель не покажет на резонанс в полости. Коэффициент стоячей волны напряжения в момент резонанса выражается так:

где и - потери в медной и ферромагнитной стенках, - внешняя добротность, которая определена как отношение запасенной энергии к энергии, расходуемой на внешней нагрузке, добротность ненагруженной полости.

Для вычисления коэффициента стоячей волны можно также использовать формулу

где отраженная мощность на выходе направленного ответвителя.

При применении последней формулы не нужно знать зависимость в функции постоянного магнитного поля Но при различных температурах. В этом случае при каждом цикле измерения измеряется индикатором стоячей волны только при двух значениях В других точках определяют только Нахождение

коэффициента стоячей волны последним методом дает более точные результаты, особенно вблизи максимума поглощения, где становится очень большим. Полную добротность полости определяют по измерению зависимости коэффициента стоячей волны напряжения от частоты. Применяя соотношение (14.6) и формулу

можно найти

Добротность вычисляют из геометрических размеров резонансной полости и из данных проводимости меди. Тогда, используя формулу (14.6), можно рассчитать а для вычисления проницаемости применить формулу

где добротность стенки при условии, что ее проницаемость равна единице.

Вычисление по формуле (14.9) дает значение этой величины, которое отличается от истинного раза в три и более, что связано с большой ошибкой в определении Такая погрешность является результатом различных дефектов на поверхности образца, потерь в местах припоя и в зажимных соединениях. Чтобы избежать этих ошибок, обычно берут два значения проницаемости которые соответствуют двум значениям магнитного поля Но и Но, и для них определяют коэффициенты стоячей волны Тогда из соотношений (14.6) и (14.9) можно получить выражение следующего вида:

За эталонное значение берут предельное значение проницаемости для больших значений магнитных полей Но. Ошибка, при определении абсолютных значений этим методом довольно велика и может достигнуть

Установка, показанная на рис. не дает возможности вести измерения при различных частотах и, как уже отмечалось выше, имеет сравнительно невысокую точность измерения.

Лазукин для изучения ферромагнитного резонанса применил метод, основанный на использовании стоячих волн внутри коаксиального волновода, куда помещают исследуемый образец. Этот метод в некоторой мере устраняет отмеченные выше недостатки. У коаксиального волновода отсутствует излучение электромагнитной волны во внешнее пространство и его можно использовать в широком диапазоне частот. Измерительная линия в этой

установке состояла из латунной трубки с внутренним диаметром Вдоль оси этой трубки расположен стержень диаметром Один конец трубки соединен с генератором сантиметровых волн, на другом ее конце находится исследуемый образец, который вставлен внутрь линии. Генератор подключали к измерительной линии с помощью коаксиального кабеля или специальной генераторной головки.

Для получения лучшей стабильности частоты осуществлялась двойная стабилизация питающего напряжения: ферромагнитным и электронным стабилизаторами. Это давало возможность поддерживать частоту клистрона с точностью до 0,1%. Чтобы нагрузка в линии не влияла на режим работы генератора, между нагрузкой и генератором вводили поглощающее сопротивление, которое обеспечивало нужную развязку. Измерительная линия на протяжении имела узкую щель, через которую в полость вводили зонд, укрепленный на каретке. Каретка могла свободно перемещаться вдоль щели с помощью микрометрического винта. Положение каретки и зонда отсчитывали с точностью до

Энергия резонатора отсасывалась прямоугольной петлей и подавалась на высокочастотный кристаллический детектор, который был соединен с высокочувствительным гальванометром. При погружении зонда в измерительную полость изменение интенсивности колебаний не наблюдалось до глубины погружения, а форма волны заметно искажалась только при погружении зонда на

Исследуемое вещество применяли в виде порошков и лент. Из мелкодисперсного порошка - ферромагнетика и диэлектрика приготовляли смесь, из которой затем изготовляли нужной формы образец. Размеры зерен порошка не превышали а объемная концентрация ферромагнитной компоненты составляла 60-70%. Такие условия обеспечивали изоляцию зерен друг от друга.

Для определения комплексной магнитной проницаемости измеряли коэффициент стоячей волны смещение узлов длину волны и толщину образца Измерение длины волны производили по двум узлам стоячей волны напряжения. Положение узла отмечали как среднее между двумя положениями зонда по обе стороны узла в тот момент, когда ток через детектор имел одинаковое значение. Два последовательных положения минимума позволяют определить смещение узлов стоячей волны Если коэффициент стоячей волны нельзя измерить непосредственно как отношение то он рассчитывается по формуле

где сила тока, измеренная в минимуме и на расстоянии х от узла.

Исследование резонансного поглощения производили в следующем порядке. Прежде всего образец помещали в измерительную линию около поршня и вместе с ней располагали между полюсами электромагнита. Не меняя частоту генератора, измеряли смещение узлов и коэффициент при нескольких значениях напряженности магнитного поля. Затем образец перемещали на расстояние четверти волны от поршня, опять устанавливали в прежнее положение между полюсами электромагнита и производили те же измерения.

В заключение рассмотрим высокочувствительную схему, основанную на использовании разделительного кольца . Эта схема позволяет наблюдать ферромагнитный резонанс на частоте На рис. 112 показана блок-схема установки.

Как видно из рисунка, мощность микроволнового излучения от клистронного генератора 1 подается через плечо на разделительное кольцо 2. В кольце мощность делится на две части, которые поступают в плечи II и IV. В плече II имеется волновод с поршнем, к которому прикрепляли исследуемый образец. Отраженная мощность в плече II делится между плечами и III. В плечах III находится детектор. Ферритовые вентили 12, находящиеся в плечах развязывают генератор от разделительного кольца и не дают возможности пропускать отраженную мощность от трактов III и IV. Для получения постоянного магнитного поля напряженностью до используют электромагнит, полюсные наконечники которого имеют диаметр

Рис. 112. Блок-схема установки с разделительным кольцом для исследования ферромагнитного резонанса: 1 - генератор, 2 - разделительное кольцо, которое заменяет двойной тройник, 3 - отрезок волновода с поршнем и образцом, 4-датчик измерителя поля, 5 - детектор, 6 - протонный измеритель напряженности поля, 7 - усилитель низкой частоты, 8 - осциллограф, 9 - электромагнит, 10 - волномер, 11 - согласователи, 12 - ферритовые вентили, 13 - держатель образца, 14 - исследуемый образец, 15 - модулирующие катушки

Кривые резонансного поглощения наблюдают на экране осциллографа, развертка луча которого синхронизирована с частотой модулирующего поля, создаваемой катушками 15. Исследуемые образцы можно использовать или в виде полушара (монокристаллы) диаметром от 2 до или в форме шариков (поликристаллы) диаметром от 1 до Эта установка позволяет исследовать ферромагнитный резонанс как при комнатных, так и при низких температурах.

Как мы уже отмечали, ширина резонансной кривой поглощения показывает зависимость поглощаемой мощности в исследуемом образце от величины постоянного магнитного поля. Эту величину определяют ядерным или парамагнитным датчиком, который помещают в магнитном поле рядом с образцом. На кривой поглощения, наблюдаемой на экране осциллографа, есть метка датчика, соответствующая кривой поглощения ядерного или парамагнитного

резонанса. Эта метка и дает возможность измерить ширину кривой поглощения.

В работе разработан метод определения ширины линии по изменению частоты высокочастотных колебаний. Для этой цели применяют эхорезонатор, метка от которого находится также на кривой поглощения. Этот способ измерения ширины линии в основном применяют для измерения очень узких кривых поглощения.

Инструкция для желающих потрогать феррорезонанс «руками».

Для успешных испытаний нужен трансформатор с быстро разбираемым железом марки ОСД или ему подобные мощностью 100…300Вт. Подходят от старых ламповых телевизоров. Удобны в работе трансы стержневого типа (две обмотки на разных стержнях). Разобранный транс мощностью 150Вт такого типа удобен в быстрой смене катушек на новые или перемотке старых. Но и трансы броневого типа дадут такой же результат. Для приведенного описания взят транс 150Вт сердечник стержневого типа, на котором по обе стороны две катушки. Левая половина сетевой обмотки 130В (сопротивлением 7.7 Ома, диаметр провода 0.5 мм сечение 0.2 мм.кв индуктивность 0.2Гн) такая же обмотка с правой стороны использовалась для подключения нагрузки лампы накаливания 220В на 100Вт. Замеряем величину индуктивности резонансной катушки. Прибор любого производителя. Если не известно напряжение обмоток а их много вбирают ту у которой наибольшая индуктивность(будет меньше емкость а значит дешевле). По замеренной индуктивности и рабочей частоте найдем реактивное сопротивление обмотки, а по сопротивлению емкость резонансного конденсатора. Индуктивность 0.2Гн частота 50Гц:

Рис. 1

Можно ставить расчетную емкость, но чтобы попасть в насыщение сердечника емкость увеличивают на 15…20%.(поясню ниже). Теперь мы готовы к сборке схемы:

Рис. 2

Смотрите рис. 2 съем мощности с дросселя. Включаем ЛАТР и, плавно увеличивая напряжение, смотрим на лампу. При входе схемы в резонанс яркость лампы увеличивается скачком. Это контур вошел в резонанс и начал черпать из гравитационного поля земли или по Мельниченко из магнитопровода. Но нам строителям вечняка сейчас по барабану, где он ее черпает. Главное побольше. Теперь можно крутить ЛАТР в сторону уменьшения и лампа будет гореть с постоянным свечением до определенного момента, а потом скачком погаснет. Схема вышла из резонанса. Не спешите искать халяву, поработайте на разных режимах измерьте токи, и напряжения в разных точках попробуете разные емкости. В общем, почувствуйте схему. Но долго работать со схемой не получится, так как дроссель перегревается и дымит. И чем больше насыщение сердечника, тем быстрее нагрев. Трансформатор(дроссель) не рассчитан на работу в резонансном режиме. На форуме Сергей пишет, у него нет нагрева. Давайте прервемся и попробуем разобраться. Построим вольтамперную характеристику (ВАХ) контура. Для этого совместим на одном графике ВАХ дросселя и ВАХ емкости. Подключаем дроссель к ЛАТРу и, меняя напряжение на дросселе и, замеряя ток для каждой точки, строим ВАХ характеристику достаточно 4…6 точек. На практике выглядит так. К ЛАТРу подключают только дроссель и, увеличивая напряжение с шагом 20….30В строят ВАХ. До начала насыщения дроссель работает тихо и токи малы на этом участке характеристика линейна и тут хватит двух точек. При подходе к точке насыщения появляется легкий гул и заметно возрастает ток тут тоже поставить одну точку, далее уверенно гудит, ток растет быстрее напряжения, тут тоже хватит двух трех точек, после все точки соединяем плавной кривой, L на рис. 3.

Рис. 3

По этому графику легко найти величину емкости для резонанса(точка "тр" на рис. 3) или с помощью ЛАТРа построить на этом же графике ВАХ конденсатора, хватит двух точек так как она линейна (50мкФ на рис. 3). По разности напряжений ВАХ дросселя и конденсатора строится результирующая ВАХ резонансного контура (красная кривая на рис. 3) по этой характеристике видно, как на карте, точки входа схемы в резонанс (т.2 рис. 3) и выхода из него (т.3 рис. 3), токи при которых схема работает в резонансе (от т.4 до т.3), короче не проводя глобальных расчетов можно найти любой параметр. На рис. 3 ВАХ для моего транса. Точка "нн" начало насыщения сердечника. Точка "тр" пересечение характеристик катушки и емкости линия резонанса.

При напряжении Uр 85В вход в резонанс скачком из т.2 в т.4 ток при этом подпрыгивает с 0.8 до 3.4А. А дроссель рассчитан на 1А куда идет лишка – в нагрев. То есть для нормальной работы дросселя нужно увеличить сечение провода. Теперь уменьшим емкость резонансного конденсатора до 30мкФ рис. 4.

Рис. 4

ВАХ смещается к началу насыщения сердечника, а скачек тока уменьшается до 2А. При дальнейшем уменьшении емкости система может не войти в резонанс или резонанс будет неустойчив. При увеличении емкости картина будет противоположной (см. график емкость 90мкФ рис. 5).