DC spark สร้างคลื่น EM ได้อย่างไร?

Question

ฉันมีคำถามเกี่ยวกับประกายไฟที่ใช้ในประวัติศาสตร์วิทยุยุคแรก ฉันได้อ่านคำถามที่คล้ายกัน แต่ยังต้องการความช่วยเหลือจากคุณ

ฉันได้เรียนรู้จากแหล่งต่างๆเช่น https://neurophysics.ucsd.edu/courses/physics_1b/SerwayCP7_Ch21.pdf และ http://www.arrl.org/files/file/History/History%20of%20QST%20Volume%201%20-%20Technology/Kennedy%20N4GG.pdfAC นั้นไม่ว่าจะเป็นสายไฟหรือประกายไฟจะสร้างคลื่น EM เนื่องจากในกระแสไฟฟ้ากระแสสลับอิเล็กตรอนจะเร่งและชะลอตัวอยู่ตลอดเวลาและจำเป็นต้องเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเพื่อสร้างคลื่น EM

ฉันใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้า HV 2 เครื่องเพื่อสร้างประกายไฟและหลอดนีออนเพื่อทดสอบว่ามีคลื่น EM อยู่หรือไม่

(1) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกเป็นกระบอกพลาสติกขนาดเล็กที่ปิดสนิท ฉันให้อินพุต 5VDC ที่มีแอมป์ต่ำ ฉันไม่พบข้อมูลจำเพาะสำหรับเอาต์พุตยกเว้นว่ามันอ้างว่าสร้างเอาต์พุต 400KV ซึ่งฉันสงสัย เครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ก่อให้เกิดประกายไฟไม่สม่ำเสมออย่างต่อเนื่องซึ่งทำให้หลอดไฟนีออนกะพริบพร้อมกัน

(2) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวที่สองคือหม้อแปลงฟลายแบ็ค ZVS ("12v-36V Zero Voltage Switching (ZVS) Tesla Coil Flyback Driver Circuit") ฉันให้ 24VDC ที่ 10A เครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ก่อให้เกิดประกายไฟอย่างต่อเนื่องซึ่งทำให้หลอดนีออนติดสว่างอย่างต่อเนื่อง ข้อกำหนดสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ระบุว่าสร้าง "เอาต์พุตกระแสตรงแรงดันสูงแรงดันไฟฟ้าอินพุตประมาณ 1,000 เท่า"
ถ้าเป็นจริงก็ดูเหมือนว่า DC spark กำลังสร้างคลื่น EM ซึ่งไม่สมเหตุสมผลกับฉัน หลอดไฟนีออนสว่างขึ้นอย่างไร?

Answer 1

โดยปกติเราจะใช้คณิตศาสตร์ของคลื่นไซน์ ("AC") เพื่อวิเคราะห์การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและมีเหตุผลที่ดีสำหรับเรื่องนี้ อย่างไรก็ตามการรักษาครั้งแรกเกี่ยวกับวิธีที่ประจุสร้างรังสีที่นักศึกษาฟิสิกส์ MIT รุ่นของฉันพบนั้นแตกต่างกัน

พิจารณาประจุแยกไม่เร่ง เส้นสนามไฟฟ้าของมันชี้ห่างจากมันอย่างสม่ำเสมอ ตอนนี้ย้ายไปด้านใดด้านหนึ่งอย่างกะทันหัน หลังจากนั้นเส้นสนามไฟฟ้าของมันยังคงชี้ไปอย่างสม่ำเสมอ แต่มาจากที่อื่น ไม่ยากที่จะแสดงโดยใช้สมการของแมกซ์เวลล์ว่าขอบเขตระหว่างช่องว่างที่เส้นสนามเกิดจากตำแหน่งแรกและตำแหน่งที่สองจะขยายเป็นทรงกลมด้วยความเร็วแสง บนขอบเขตเส้นสนามจะหงิกงอ นั่นคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ขยายตัวและไม่ใช่ซายน์

ช่องว่างของประกายไฟของคุณไม่ได้เป็นอย่างนี้ แต่มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด: จู่ๆก็มีประจุจำนวนมากเคลื่อนผ่านช่องว่าง กระแสไฟฟ้าย้อนกลับผ่านแหล่งจ่ายไฟของคุณเป็นภาวะแทรกซ้อน แต่ผลลัพธ์พื้นฐานคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ใช่ซายน์แบบหุนหันพลันแล่นมีความคล้ายคลึงกัน

Answer 2

ประกายไฟเว้นแต่จะเป็นส่วนโค้งที่คงที่อย่างต่อเนื่องจะมีความรุนแรงผันผวน ซึ่งหมายความว่าจะมีส่วนประกอบ AC แม้ว่ากระแสจะไม่ย้อนกลับก็ตาม ในทางปฏิบัติประกายไฟจะมีเสียงดังมากและจะสร้างความถี่ในคลื่นความถี่กว้าง

Answer 3

ไม่ใช่ส่วน DC เอง เป็นขอบยก ประกายไฟสร้างรูปคลื่นคล้ายสี่เหลี่ยมจัตุรัสซึ่งแท้จริงแล้วประกอบด้วยคลื่นไซน์จำนวนมาก ซึ่งอธิบายได้จากการเปลี่ยนแปลงฟูริเยร์ ลองดูภาพต่อไปนี้เพื่อดูว่าคลื่นไซน์สามารถสร้างรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสได้กี่อัน

Answer 4

แหล่งที่มา "DC" แหล่งใดแหล่งหนึ่งของคุณไม่ได้ผลิตไฟฟ้ากระแสตรงที่คงที่ตลอดช่องว่าง พวกเขาอาจผลิตกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น แต่จะเกิดขึ้นและดับลง

สาเหตุของสิ่งนี้คือช่องว่างประกายไฟมีสองสถานะที่มีความต้านทานต่างกันมากและทำงานในลักษณะที่เปลี่ยนแหล่ง "DC" ให้เป็นออสซิลเลเตอร์:

1. หากไม่มีประกายไฟความต้านทานระหว่างอิเล็กโทรดจะสูงมาก โดยพื้นฐานแล้วจะไม่มีกระแสไหลจนกว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดจะสูงพอที่จะทำให้ก๊าซเป็นไอออนระหว่างกัน
2. เมื่อก๊าซแตกตัวเป็นไอออน (มองเห็นเป็นประกายไฟ) จะสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด ความต้านทานระหว่างขั้วไฟฟ้าทันทีกลายเป็นที่ต่ำมาก กระแสจะสูงมากในทันทีและการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็วนี้จะปล่อยรังสี EM
3. จะต้องใช้พลังงานจำนวนมากอย่างไม่น่าเชื่อในการรักษาแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สูงมากของซัพพลายของคุณในความต้านทานที่ต่ำเช่นนี้ มันไม่มีพลังแบบนั้นดังนั้นหลังจากการจุดประกายครั้งแรกในไม่ช้ากระแสจะลดลงต่ำเกินไปที่จะรักษาประกายไฟและมันก็ดับลง โดยปกติจะมีตัวเก็บประจุเอาท์พุทที่ประกายไฟจะระบายออก
4. ตอนนี้เรากลับไปที่ (1) ความต้านทานสูงไม่มีกระแสไหลดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงสูงขึ้นได้จนกว่าการปฏิรูปของประกายไฟ

เมื่อคุณใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง "กำลังสูง" ประกายไฟอาจดูต่อเนื่อง แต่จริงๆแล้วจะเปิดและปิดเร็วมาก

Answer 5

ผลกระทบน่าจะเป็นไปได้มากที่สุด (ฉันคิดว่า) จากการโหวตข้ามหลอดนีออนจากสนามไฟฟ้า อาจเป็นแม่เหล็ก (อุปนัย) แต่ฉันคิดว่าหลอดนีออนจะยากกว่าเนื่องจากไม่มีโลหะมากนัก

อาจเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปนี้:

• จุดประกาย
• เลือดออกจากแหล่งจ่าย HV สู่อากาศ (ข้อต่อแบบ capacitive)

ประกายไฟเป็นเพียงช่วงเวลาของอิเล็กตรอนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะสร้างสนามแม่เหล็ก หากสนามมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจะทำให้เกิดการสั่นของคลื่นไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กหรือที่เรียกว่าคลื่นวิทยุ

อากาศ (และพื้นผิวโลหะใด ๆ ) ที่มีสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ระหว่างกันสามารถทำหน้าที่เหมือนตัวเก็บประจุ

การเปลี่ยนแปลงอาจมาจากแหล่งจ่าย HV หากขดลวดไม่ได้รับการป้องกัน (สนามแม่เหล็ก)