О токах смещения 2

С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина
e-mail: selftrans@yandex.ru , selflab@mail.ru

В предыдущей статье[1] мы проанализировали типичные эксперименты по выявлению тока смещения в конденсаторе при помощи контура и показали, что согласно концепции полей токов, индуцирующие токи в обкладках конденсатора могут возбуждать эдс только в тех частях проволочного контура, которые им параллельны. В свою очередь, изменение заряда на обкладках конденсатора может индуцировать ток смещения только в сторонах контура, перпендикулярных обкладкам. При этом, в отсутствие проводников и поляризующихся диэлектриков, ток смещения в промежутке между обкладками не существует. Присутствует только поле электрической индукции, обусловленное зарядами, накапливающимися на обкладках конденсатора. Это принципиально отличает индукционные процессы, обуславливаемые изменением электрической индукции в зазоре конденсатора от электромагнитной индукции, возникающей при изменении токов. Поэтому и картина полей должна быть принципиально иной.
В данной статье мы приведём отчёт об углублённых исследованиях токов смещения в плоском конденсаторе. Общий вид схемы представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид установки: 1 задающий генератор Г3-53, 2 – усилитель, 3 – исследуемый конденсатор, 4 – подвижная плата с измерительным контуром, 5 – двухлучевой осциллограф С1-77

Принципиальная схема эксперимента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема эксперимента с согласным несимметричным подключением обкладок конденсатора; R = 1,5 кОм

Схема эксперимента состоит из трёх основных блоков: генератора низкой частоты ГНЧ – 1 с усилителем 2; исследуемого плоского конденсатора с обкладками 140х80 мм, расстоянием между обкладками 40 мм – 3 и внутренним подвижным измерительным контуром – 4; а также двухлучевого осциллографа – 5. Напряжение на конденсаторе подавалось на первый вход осциллографа и по нему производилась синхронизация сигнала. Измерительный контур мог смещаться по зазору вдоль обкладок с фиксацией смещения, и состоял из 50-и витков провода ПЭЛ 0,12. При этом толщина намотки составляла 2 мм и была максимально приближена к обкладкам конденсатора. Важно, что подсоединение генератора к конденсатору осуществлялось с одной стороны обкладок (согласное несимметричное подключение), так, что ожидаемые токи эм индукции I_emfL были направлены вдоль контура, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Направление токов, возбуждаемых в сторонах измерительного контура

На представленной схеме токи I_emfL направлены встречно токам в обкладках и при указанном начале обмотки измерительного контура, согласном с током в подводящих проводах к конденсатору, должны отставать на 180˚ от тока I в обкладках, т.е. от осциллограммы на первом входе осциллографа. Токи I_D в этой схеме взаимно компенсируются при нахождении контура целиком между обкладками.
Результаты измерений тока в контуре приведены на осциллограмме на рис. 4.

Рис. 4. Осциллограмма индукционных токов в контуре (верхняя кривая) при согласном несимметричном подключении конденсатора и при полном расположении контура внутри конденсатора; разрешение для верхней осциллограммы – 0,005 В/дел. ; для нижней осциллограммы (напряжение на конденсаторе) – 50 В/дел.; частота 20 кГц.

Как видно из приведенных осциллограмм, индукционные эдс в контуре возникают, хотя они слишком малы, если составляют размах менее 2 мВ при размахе амплитуды напряжения на конденсаторе порядка 100 В. Фазность индуцируемой эдс полностью совпадает с ожиданием, т.е. она противофазна напряжению на конденсаторе. Понятно, что, увеличивая частоту, как в описанных в первой части экспериментах, до мегаГерц, и, тем более, делая измерительный контур резонансным, можно существенно увеличить амплитуду в нём, но это действительно будет эдс, наводимая токами в обкладках конденсатора. Токи смещения в этом случае никак не проявляются даже при выдвижении контура из конденсатора. Кстати, можно и на нерезонансной схеме увидеть данные индукционные токи, существенно исказив гармоничность напряжения, подаваемого на конденсатор. Результат представлен на рис. 5.

Рис. 5. Осциллограмма индукционных токов в контуре (верхняя кривая) при согласном несимметричном подключении конденсатора и при негармоническом сигнале на конденсаторе (нижняя кривая)

Таким образом, мы видим, что действительно эдс индукции есть, но она в нерезонансных случаях и при низких частотах очень мала, а следовательно, её фиксация в ранее описанных экспериментах полностью определялась чувствительностью приборов и схемой эксперимента, из-за чего и была неопределённость, показанная в предыдущей статье. Также видно, что регистрируемая эдс возбуждается токами в обкладках, но не током смещения. Для регистрации этой эдс действительно нужны другие схемы измерительных датчиков.
Одна из таких схем представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема контура с диодом

В представленной схеме контур состоит из одного витка ПЭЛ 0,8, в одну из сторон которого вставлен точечный диод VD, в качестве которого был использован импульсный диод D9E. При этом характер осциллограмм резко изменился, как представлено на рис. 7.

Рис. 7. Осциллограмма эдс, возбуждаемой в контуре с диодом (верхняя кривая); Разрешение для верхней кривой 0,5 В/дел., для нижней кривой (напряжение на конденсаторе) – 20 В/дел., f = 5 кГц

По сравнению с осциллограммой для многовиткового контура (рис. 4), эдс резко возросла, учитывая к тому же, что в этом случае она возбуждается всего в одном витке контура, тогда как в предыдущем случае было 50 витков. Причина резкого возрастания эдс в том, что при малой ёмкости исследуемого конденсатора токи индукции I_emfL малы, поляризационные же токи смещения I_D в обычном многовитковом контуре компенсируются. В контуре с диодом, в полупериод, когда диод открыт, происходит поляризация контура. В следующий полупериод диод закрывается и контур перезаряжается через высокоомный вход осциллографа. Вследствие этого и появляется сигнал на осциллографе. Это же определяет и форму сигнала, характерную для однополупериодного выпрямителя, однако не полностью. На рис. 8 представлено совмещение осциллограмм в режиме с открытым входом.

Рис. 8. Совмещение осциллограммы эдс в контуре с осциллограммой напряжения на конденсаторе при параметрах съёмки осциллограммы на рис. 7

На совмещении мы видим, что в контуре формируется не просто полупериод волны, поскольку при прямом для диода полупериоде (верхний полупериод осциллограммы) на вход осциллографа попадает часть эдс как следствие конечности сопротивления открытого диода во время перетока заряда. В отрицательный полупериод весь заряд перетекает через осциллограф, создавая удвоенное падение напряжения на его входе. Опять-таки, если мы полностью закоротим диод, то указанных особенностей, обусловленных нелинейным сопротивлением диода, не будет, заряд в оба полупериода будет перетекать через участок измерительного контура, перпендикулярный обкладкам, и мы получим практически ноль на выходе контура.
Всё это свидетельствует о том, что контур с диодом измеряет именно ток смещения. При этом индуцируемое напряжение почти синфазно с напряжением на конденсаторе (фаза смещения на осциллограмме показывает всего 18˚). Данная фаза обусловлена особенностями перетока заряда в контуре при переполюсовке исследуемой ёмкости. Чтобы это показать, изменим подвод напряжения к конденсатору, как показано на рис. 9.

Рис. 9. Схема подвода тока зарядки конденсатора, с компенсацией индукционных
токов в обкладках

При показанном подводе тока к конденсатору, токи в обкладках однонаправлены и в случае компенсации влияния этих токов на эдс в измерительном контуре на осциллограмме наблюдались бы существенные изменения по сравнению с представленной выше. Вид осциллограммы при данном подводе тока показан на рис. 10.

Рис. 10. Сравнительная осциллограмма эдс в контуре при подводе тока зарядки конденсатора по схеме на рис. 9 и при тех же параметрах измерения, что и осциллограммы на рис. 7

Осциллограммы демонстрируют, что никаких изменений ни в форме кривой, ни в смещении фазы относительно осциллограммы напряжения на конденсаторе нет, что подтверждает, что данные осциллограммы регистрируют именно ток смещения, наведенный в частях контура, перпендикулярных обкладкам. Таким образом, можно констатировать, что эдс в контуре несколько запаздывает по сравнению с напряжением на обкладках конденсатора, но не на π/2, а значительно меньше. Причём из закрытого состояния диода (отрицательный максимум кривой) переток заряда в контуре идёт быстрее чем из открытого состояния диода в закрытое. В первом случае, как было указано выше, запаздывание составляет 18˚. Во втором случае вдвое больше – 36˚.
Для полноты исследования следует указать метод измерения токов смещения, возбуждаемых в диэлектрике. Схема измерения представлена на рис. 11.

Рис. 11. Конденсаторная схема измерения тока смещения

В основу представленной схемы положена поляризация керамического изолятора ВЧ конденсатора СD во внешнем переменном поле исследуемого воздушного конденсатора. Эквивалентная схема измерений представлена на рис. 12.

Рис. 12. Эквивалентная схема конденсаторного метода измерения тока смещения

Согласно представленной схеме
(1)
и не зависит от частоты. Из (1) следует, что для того, чтобы обеспечить измеримую величину поляризационной эдс, размер конденсатора C_D нужно брать соизмеримым с конденсаторами C1 и C2. Конечно, идеальным было бы, чтобы C_D был значительно меньше C1 и C2 , но это практически невыполнимо, поскольку наличие диэлектрика у C_D обязательно, так как измеряемость эдс определяется неоднородностью, вводимой в промежуток конденсатора. В данном эксперименте в качестве C_D был взят стандартный плоский дисковый конденсатор типа КД, номиналом 33 пФ. Осциллограмма эдс, возникающей на обкладках этого измерительного конденсатора, представлена на рис. 13 (верхняя кривая).

Рис. 13. Осциллограмма эдс электрической индукции на конденсаторе CD, помещённом в поле измеряемого конденсатора; Разрешение для верхней кривой 0,05 В/дел., для нижней кривой (напряжение на конденсаторе) – 20 В/дел., f = 5 кГц

Как и в предыдущем эксперименте, эдс на измерительном конденсаторе отстаёт от напряжения на измеряемом конденсаторе и величина запаздывания составляет те же 18˚, что и в предыдущем эксперименте, но величина эдс определяется уже распределением напряжения между C_D и емкостями, образуемыми обкладками этого конденсатора и измерительного конденсатора. Фаза запаздывания соответствует той, что регистрировалась на неискажённой диодом части осциллограммы на рис. 8 и 9. Это говорит о том, что в схеме с диодом сам диод, несмотря на свою малую емкость, играл ту же роль емкости, что и в эксперименте с емкостями, но комплексное сопротивление его было нелинейны, из-за чего и происходили соответствующие трансформации сигнала.
Проведенными экспериментами подтверждено, что для регистрации эдс электрической индукции необходимо использовать специальные схемы, в которых снимается компенсация эдс, характерная для обычных контуров, которыми до сих пор пытались фиксировать ток смещения.
Также важно ещё раз отметить, что эдс электрической индукции возбуждается в контуре зарядами, накапливающимися на обкладках конденсатора, а сама эдс возбуждается или в проводниках контура, или благодаря смещению зарядов в диэлектрике между обкладками конденсатора при его поляризации. В отсутствие этих проводников и диполей, ток смещения между обкладками будет отсутствовать, а вместе с ним и магнитное поле. Это отражается на безуспешности попыток выявить магнитное поле токов смещения. Любой стандартный контур, помещённый между обкладками, будет или регистрировать индукционные токи в самих обкладках, или будет поляризоваться, как в первом из приведенных экспериментов. Тем самым в любом случае будут регистрироваться паразитные эффекты, обусловленные внесением в измеряемую область некоторых проводников или диэлектриков, но не эффект, обусловленный электрической индукцией.

Литература:
1. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. О токах смещения. Блог Classical science
Ещё по теме:
1. О токах смещения

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU