Как недопонимание одного явления привело к недопониманию учёными других
blagin_anton — 06.09.2021
Продолжение. Начало здесь: https://blagin-anton.livejournal.com/1130375.html
Вспомним, историю. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц
экспериментально открыл радиоволны, изучая новое явление —
возникновение электрических токов в незамкнутых
цепях. Герцу посчастливилось тогда открыть явление
излучения радиоволн благодаря явлению электрического резонанса,
возникающего в установке, названной впоследствии «вибратором
Герца». Давайте рассмотрим, что это была за установка Герца,
названная впоследствии «вибратором Герца».
Перед вами на рисунке тот самый электрический «вибратор Герца», имеющий собственную резонансную частоту. С его помощью Герцем и были экспериментально открыты радиоволны, которые регистрировались петлеобразным регистратором, расположенным на расстоянии нескольких метров от излучателя.
Вибратор Герца состоял из двух симметричных электропроводных плеч, расположенных соосно и зеркально друг другу. Каждое из плеч вибратора состояло из проводника (металлического стержня или трубки), на внутренний конец которого был надет маленький сферический наконечник, а на наружный конец проводника была насажена большая металлическая сфера, имеющая большую площадь наружной поверхности, и, соответственно, значительно большую, чем у проводника, электрическую ёмкость.
К этой установке Герца прилагался ещё высоковольтный индуктор — катушка Румкорфа, вырабатывающая переменное электрическое напряжение до 200 тысяч Вольт с частотой колебаний 10-30 раз в секунду.
Запитывание установки от высоковольтного индуктора происходило в непосредственной близости от маленьких сферических наконечников, представляющих собой электрический разрядник, величина воздушного зазора которого определяла напряжение электрического пробоя.
Теперь самое важное. После пробоя разрядника (т.е. образования искры, обладающей низким электрическим сопротивлением. Иначе говоря, искра является проводником, соединяющим накоротко тела, заряженные электричеством разного знака) эта установка вдруг начинала излучать короткие по длительности и затухающие по амплитуде радиоволны на собственной резонансной частоте, которая составляла миллионы колебаний в секунду!
В процессе исследования работы своего «вибратора» а также радиоволн, которые он излучает, Герц пришёл к выводу, что резонансная частота «вибратора» определяется геометрической длиной его электропроводящих плеч, и связано это в первую очередь с образованием на этой геометрической длине стоячей продольной волны электрического поля.
Именно благодаря использованию катушки Румкорфа и искрового разряда для запитывания «вибратора Герца» было выяснено, что у него есть собственная резонансная частота, и что он интенсивно излучает радиоволны, длина которых ровно в два раза превышает суммарную длину плеч «вибратора Герца». Отсюда его второе название в радиотехнике и в физике — «полуволновой вибратор».
Повторюсь, резонансная частота излучающего «диполя Герца» или «полуволнового вибратора» определяется суммарной длиной его электропроводящих плеч, и связано это с возможностью образования на этом линейном участке стоячей продольной волны электрического поля. Это было очевидным и для самого Герца, и для всех тех физиков, которые повторяли его опыты. При этом о поверхностных волнах электронной плотности на наружных поверхностях излучающих проводников никто тогда не подозревал. А значит, ни сам Герц, ни его последователи не имели тогда полного представления о механизме излучения радиоволн, и, следовательно, их теоретические объяснения процесса излучения радиоволн (до сих пор признаваемые истиной в последней инстанции) могут быть в той или иной степени ошибочными.
Однако, этот вопрос сегодня, почему-то не волнует ни нашу, ни мировую науку.
Последующий опыт радиоинженеров показал, что, «вибратор Герца» а также его производные и модификации лучше всего запитывать от источника синусоидального сигнала с частотой, близкой или равной резонансной частоте излучающего диполя.
По этой причине более века радиоинженеры и радиолюбители
конструировали приёмопередающие антенны, линейные размеры которых
они старались по возможности подогнать к длине волны, исходя из
знания и опыта, что лучше всего излучает радиоволны симметричный
полуволновой диполь или его модификация – вертикальный
четвертьволновый штырь с заземлённым
противовесом.
Приведенный рисунок, на котором показано распределение тока и напряжения в четвертьволновой антенне объясняет, что благодаря использованию земли в качестве второго плеча диполя, такая конструкция всё равно работает как «полуволновый резонатор», хотя в нём излучает радиоволны только одно четвертьволновое плечо.
И вот представьте теперь, что однажды одному американскому радиоинженеру, которого зовут Тэд Харт, пришла в голову идея пересмотреть концепцию приёмопередающих антенн и не привязывать их размеры к длине излучаемой или принимаемой волны.
То есть, Харт решил отказаться от практики использования стоячей продольной волны электрического поля в антенне, и попытаться построить малогабаритные, но тоже резонансные антенны-диполи, размеры которых в 20-40-80 и даже в 100 раз меньше (!) размеров «полуволнового вибратора».
Чтобы эффективность этих сильно уменьшенных антенн была приближена к эффективности полуволнового вибратора, нужно было выполнить ряд важных условий. В первую очередь ёмкость сильно укороченных плеч диполя надо увеличить за счёт увеличения их площади наружной поверхности. Для этого в качестве излучателей нужно использовать не тонкую проволоку, а металлические цилиндры большого диаметра или металлические пластины. Вместе с этим плечи сильно укороченного диполя нужно запитывать электричеством под значительно большим электрическим давлением (напряжением) чем подаётся напряжение на полуволновой вибратор. В антеннах Харта это делается с помощью повышающего автотрансформатора с большим коэффициентом трансформации.
Повышающий высокочастотный автотрансформатор, в виде проволочной катушки с отводом, обладающий определённой индуктивностью, а также ёмкость наружных поверхностей пластин или цилиндров, которые выполняют роль симметрично расположенных плеч диполя, образуют LC-резонансный колебательный контур, имеющий, как выяснил Хард, две резонансных частоты, отстоящих недалеко друг от друга. Об этом нюансе я расскажу чуть позже.
Тэд Харт рассчитал размеры этой антенны для частоты 10,1 МГц (длина волны – 30 метров). Согласно чертежу, наибольшая длина (ширина) плоской антенны Харта (он её назвал ЕН-антенной) для частоты 10,1 МГц составляет 0,46 метра. При этом антенна излучает а также улавливает радиоволны длиной 30 метров. Таким образом, в сравнении с полуволновым вибратором, работающим на той же частоте, ЕН-антенна Харта имеет габариты в 32,6 раза меньшие! При той же эффективности излучения!
Вот только подводить к ней мощность более 100 Ватт проблематично, величина напряжения питания пластин или цилиндров диполя достигает таких значений, что между пластинами или цилиндрами может возникнуть коронный разряд. Однако, и этой мощности вполне хватает, чтобы проводить сеансы радиосвязи по всему земному шару.
Как я уже сказал, у ЕН-антенны, как оказалось, имеется две резонансных частоты, отстоящих недалеко друг от друга, одна частота резонанса – нерабочая, другая – рабочая. Нерабочая частота резонанса находится легко, с помощью ВЧ-генератора и высокоомного вольтметра. Но на этой частоте ЕН-антенна имеет мизерный КПД. Рабочая же резонансная частота ЕН-антенны находится намного труднее, только с помощью специальных приборов или, как минимум, с помощью индикатора поля.
С чем это связано? Плечи диполя ЕН-антенны имеют не только полезную ёмкость наружной поверхности, обращённую в открытое пространство, но и паразитную ёмкость, которая естественным образом возникает между самими излучающими плечами диполя. Паразитная ёмкость также возникает между излучающими плечами диполя и землёй, между излучающими плечами диполя и питающим антенну кабелем, между излучающими плечами диполя и близко расположенными предметами…
Вот все эти ёмкости (полезные и паразитные) складываются вместе и в составе LC-резонансного контура создают нерабочую резонансную частоту антенны. Ну а рабочая резонансная частота ЕН-антенны, соответственно, складывается из индуктивности питающего автотрансформатора и той полезной ёмкости плеч диполя, которая обращена в открытое пространство и работает на его возбуждение.
Как понял Тэд Харт в ходе экспериментов с изобретённой им антенной, её настройка – это целое искусство. Но, кто имеет терпение, обязательно добьётся успеха. После того, как Тэд Харт рассказал о своём изобретении в радиолюбительской литературе и объяснил при этом, как нужно правильно настраивать ЕН-антенны, в России их смогли изготовить и настроить сотни радиолюбителей.
На этой фотографии Тед Харт с изобретённой им ЕН-антенной, имеющей высоту ~ 1 метр. Сама ЕН-антенна настроена на частоту 14 МГц (λ – 20 метров).
Как радиолюбителям построить и самим успешно настроить ЕН-антенну, можно узнать на сайте российского радиоинженера и радиолюбителя В.В.Кононова, который уже много лет их конструирует для разных нужд, в том числе и для российских военных.
Естественно, как только Тэд Харт добился успеха, перед ним сразу встал вопрос: как объяснить принцип работы ЕН-антенн?
Было очевидно, что свойства ЕН-антенны сильно отличаются от свойств полуволнового вибратора. Главное отличие между ними, как заметил сам Тэд Харт, заключается в следующем:
В полуволновом диполе электрическое поле Е и магнитное поле Н рассредоточены по всей длине полотна излучателей, при этом между ними имеется сдвиг по фазе равный 90 градусов. Причём по утверждению классиков «Электродинамики», в полуволновом диполе «радиоволна формируется на расстоянии нескольких длин волн от полотна антенны». Последнее утверждение, на мой взгляд, есть большое заблуждение учёных, создававших в начале ХХ века теорию работы полуволнового вибратора и не ведавших о «поверхностных поперечных волнах электронной плотности», которые возникают на наружных поверхностях излучающих проводников.
Распределение полей Е и Н в полуволновом вибраторе графически можно описать так:
Максимуму напряжения соответствует минимум тока в полуволновом вибраторе, а минимуму напряжения соответствует максимум тока. Сдвиг фаз – 90 градусов.
В ЕН-антенне, как установил Тэд Харт, поля Е и Н почти не имеют сдвига по в фазе. Он минимален. При этом очевидно, что радиоволны рождаются непосредственно на открытых поверхностях плеч диполя.
Рисунки взяты из статьи В.В.Кононова «Распределение полей в ЕН-антенне».
Что доказывают эти наблюдения, оформленные в графики?
Только то, о чём я рассказал в самом начале.
В полуволновом диполе при запитывании его переменным напряжением высокой частоты возникают сразу две стоячих волны. Одна возникает на наружной поверхности полотна плеч диполя, это поперечная волна поверхностной плотности электрических зарядов, а в случае цилиндрической формы проводника – это поперечно-радиальная волна поверхностной плотности электрических зарядов. Другая стоячая волна возникает под ней, в толще проводников, образующих плечи диполя. Это продольная волна электрического поля, которая собственно и определяет геометрическую длину полуволнового вибратора.
Сейчас уже понятно, что продольная волна электрического поля является для процесса излучения радиоволн лишь вспомогательным фактором. Она делает полуволновой диполь резонансным, и вместе с тем она порождает паразитное магнитное поле (в своё время гений электричества Никола Тесла назвал его «побочным продуктом» в деле излучения радиоволн), которое хорошо маскирует радиоволну вблизи полуволнового диполя. Вот почему учёные ХХ века пришли к выводу, что при работе на излучение полуволнового диполя «радиоволна формируется на значительном удалении от него». Однако, как я уже сказал, это большое заблуждение!
Разумеется, радиоволна порождается непосредственно на поверхности плеч полуволнового диполя, равно как и на поверхности плеч диполя ЕН-антенны. Её порождает поперечная волна поверхностной плотности электрических зарядов. Но, в полуволновом диполе её маскирует для исследователей продольная волна электрического поля, возникающая в толще излучающих проводников полуволнового диполя. Вот и весь секрет этого феномена.
Смотрим ещё раз на график распределения полей в ЕН-антенне:
Почему пусть и небольшой сдвиг фаз между полями Е и Н, но всё же имеется?
Вспомним о коэффициенте линейного укорочения ЕН-антенны по сравнению с полуволновым вибратором. Это может быть и 10, и 20, и 30, и 60 и 80 раз! В данном конкретном случае укорочение ЕН-антенны против полуволнового диполя было 20-кратным. Соответственно, поскольку в трубчатых или пластинчатых диполях ЕН-антенны продольная волна электрического поля тоже возникает (без неё никуда, они же имеют линейные размеры), но её путь короче длины излучаемой волны в 40 раз, то и сдвига фаз между полями Н и Е в 90 градусов не может никак получится. Вот почему по факту в ЕН-антеннах имеет место сдвиг фаз между полями Е и Н всего в несколько градусов.
Какой же вывод следует из всего этого?
Вывод такой: во всех дипольных антеннах на излучение работают поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов, которые, по утверждению современного российского физика И.Мисюченко, ещё плохо изучены учёными.
Моя предыдущая статья на эту тему «Забытая правда о ёмкостных антеннах».
6 сентября 2021 г. Мурманск. Антон Благин
Почему стоит выбрать 1С Фреш для своего бизнеса: основные преимущества 
Тщательно отобранные 
Добрый страшилище.... 
3 года Гостомельскому десанту 
Энергетика 
Карету мне, карету! Я в ВТБ поеду! 
Цитата дня 
Кольский 
ПРОИЗВЕДЕНИЯ СВЕТЛАНЫ АЛЕКСИЕВИЧ ПОТРЯСАЮТ И ОШАРАШИВАЮТ ДАЖЕ В ОТРЫВКАХ 
