Как искра постоянного тока может создавать электромагнитные волны?
У меня есть вопрос по поводу искр, которые использовались в ранней истории радио. Я читал похожие вопросы, но мне все еще нужна ваша помощь.
Я узнал из таких источников, как https://neurophysics.ucsd.edu/courses/physics_1b/SerwayCP7_Ch21.pdf а также http://www.arrl.org/files/file/History/History%20of%20QST%20Volume%201%20-%20Technology/Kennedy%20N4GG.pdfчто переменный ток, будь то провод или искра, создает электромагнитные волны. Это связано с тем, что в переменном токе электроны постоянно ускоряются и замедляются, и для генерации электромагнитных волн требуется ускорение заряженной частицы.
Я использую 2 генератора высокого напряжения для создания искр и неоновую лампу для проверки наличия электромагнитных волн.
(1) Первый генератор представляет собой небольшой закрытый пластиковый цилиндр. Я даю ему вход 5VDC с низким усилителем. Я не смог найти спецификации для вывода, за исключением того, что он утверждает, что генерирует выход 400 кВ, в чем я сомневаюсь. Этот генератор постоянно производит прерывистую искру, которая заставляет неоновую лампочку мигать синхронно.
(2) Второй генератор представляет собой трансформатор обратного хода ZVS («Схема драйвера обратного хода катушки Тесла с переключением при нулевом напряжении (ZVS) 12–36 В»). Я даю ему 24 В постоянного тока на 10 А. Этот генератор непрерывно производит сплошную искру, заставляя неоновую лампочку гореть постоянно. В спецификациях для этого генератора указано, что он генерирует «высоковольтный выход постоянного тока, входное напряжение около 1000 раз».
Если это правда, то похоже, что искра постоянного тока создает электромагнитные волны, что для меня не имеет смысла. Как загорается неоновая лампочка?
Ответы
Обычно мы используем математику синусоидальных волн («переменного тока») для анализа электромагнитного излучения, и для этого есть веские причины. Однако первое понимание того, как заряд генерирует излучение, с которым столкнулось мое поколение студентов-физиков Массачусетского технологического института, было другим.
Рассмотрим изолированный заряд, не ускоряющийся. Силовые линии его электрического поля просто направлены от него равномерно. Теперь внезапно переместите его в сторону. После этого силовые линии его электрического поля по-прежнему направлены одинаково, но из другого места. Нетрудно показать, используя уравнения Максвелла, что граница между пространством, где силовые линии берут начало из первой позиции, и второй будет расширяться как сфера со скоростью света. На границе силовые линии изогнуты. Это расширяющаяся несинусоидальная электромагнитная волна.
Ваш искровой промежуток не совсем такой, но он тесно связан: сгусток заряда внезапно перемещается через промежуток. Обратный ток через ваш источник питания является сложным, но основной результат - импульсная несинусоидальная электромагнитная волна - аналогичен.
Искра, если она не является непрерывной устойчивой дугой, будет колебаться по интенсивности. Это означает, что он будет иметь компонент переменного тока, даже если ток никогда не будет обратным. На практике искры очень шумные и генерируют частоты в широком спектре.
Это не сама часть постоянного тока. Это передний край. Искра создает прямоугольную форму волны, которая на самом деле состоит из бесконечного множества синусоидальных волн. Это объясняется преобразованием Фурье. Взгляните на следующее изображение, чтобы увидеть, сколько синусоидальных волн может создать квадратную волну.
Ни один из ваших источников «постоянного тока» не производит постоянного постоянного тока через промежуток. Они могут производить ток только в одном направлении, но он будет включаться и выключаться.
Причина этого в том, что искровой разрядник имеет два состояния с очень разными сопротивлениями и ведет себя так, что превращает источник постоянного тока в генератор:
- При отсутствии искры сопротивление между электродами чрезвычайно велико . По существу, ток не будет течь, пока напряжение между электродами не станет достаточно высоким, чтобы ионизировать газ между ними.
- Когда газ ионизируется (видно как искра), он создает проводящий путь между электродами. Сопротивление между электродами мгновенно становится чрезвычайно низким . Ток мгновенно становится очень большим, и этот быстрый переход испускает электромагнитное излучение.
- Для поддержания очень высокого выходного напряжения вашего источника питания при таком низком сопротивлении потребуется невероятное количество энергии. У него нет такой мощности, поэтому после первоначальной искры ток вскоре падает слишком низко, чтобы поддерживать искру, и она гаснет. Обычно есть выходной конденсатор, который истощает искра.
- Теперь вернемся к (1). Сопротивление высокое, ток не течет, поэтому напряжение может повышаться до восстановления искры.
Когда вы используете свой «высокомощный» генератор постоянного тока, искра может выглядеть непрерывной, но на самом деле она включается и выключается очень быстро.
Эффект, скорее всего, (я думаю) вызван воздействием электрического поля через неоновую лампочку. Может быть магнитным (индуктивным), но я думаю, что с неоновой лампочкой это будет сложнее, поскольку металла там не так много.
Может быть одно из этих:
- Искра
- Утечка из сети ВН в воздух (емкостная связь)
Искра - это просто момент электронов, движущиеся электроны создают магнитные поля. Если поле быстро меняется, оно создает колебания электрических и магнитных волн, также известных как радиоволны.
Воздух (и любая металлическая поверхность) с электрическими полями, перемещающимися между ними, может работать как конденсатор.
Изменение также может происходить от источника высокого напряжения, если катушки неэкранированы (магнитные поля).