Часть 2. Эксперимент Авраменко

Вторая часть посвящена сравнению свойств и характеристик инерциальных и безинерциальных токов в цепях на низких частотах. Вскрыты их общие и отличительные признаки.

Показаны условия, когда в проводниках преобладает проводимость, обусловленная безинерциальными зарядами, и когда преобладают токи, обусловленные электронами проводимости.

Дано описание экспериментов Авраменко и выводы, сделанные экспериментаторами. Авторы настоящей статьи приводят данные своих контрольных экспериментов, которые подтверждают часть выводов полученных Авраменко и его коллегами.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют дать качественно новое объяснение результатов эксперимента Авраменко.

В заключительном параграфе обсуждаются две возможные модели, объясняющие появление и существование безинерциальных токов и зарядов в металлических проводниках.

Токи в реактивных элементах

Продолжим наше исследование и перейдем теперь к электрическим цепям, характерные размеры которых (L) значительно меньше длины волны (L<< l). Сравним поведение некоторых сосредоточенных элементов схем для инерциальных и безинерциальных токов.

В любой цепи, является ли она разомкнутой или нет, могут существовать токи, образованные как инерциальными, так и безинерциальными зарядами. Как правило, в замкнутых электрических цепях (кирхгофовские цепи) токи из электронов проводимости значительно превышают токи из безинерциальных зарядов. Именно по этой причине мы их не “замечаем” при экспериментальных исследованиях электрических цепей. Однако соотношение между токами радикально меняется в двух случаях.

Во-первых, доля тока, создаваемого электронами проводимости, уменьшается при увеличении частоты колебаний. Это обусловлено как инерциальностью электронов проводимости, так и скин-эффектом, сужающим слой, в котором эти электроны движутся в проводнике.

Во вторых, доля электронов проводимости в суммарном токе падает в разомкнутых (некирхгофовских) цепях. Такие цепи будут подробно рассмотрены ниже.

В качестве примера можно привести диполь Герца, изображенный на рис.1. Суммарный ток I_, создаваемый источником напряжения U, складывается из двух токов:

(1.1)

где: I_n – ток, создаваемый безинерциальными зарядами (некирхгофовский ток); I_k – ток, созданный электронами проводимости (кирхгофовский ток).

 

Рис.1

Электрическая кирхгофовская цепь замыкается взаимной емкостью C, существующей между “ усами ” диполя Герца. Некирхгофовская цепь заканчивается на уединенных емкостях, образованных “ кончиками усов ” диполя Герца.

Проведем небольшое сравнение этих цепей для низких частот.

1. Замкнутая (кирхгофовская) цепь. Рассмотрим линейный проводник без потерь, длиной L (). Ток кирхгофовской цепи, образованный электронами проводимости, создает вокруг проводника поля и . Как показано в [1], уравнения для потенциалов имеют вид:

(1.2)

где: – плотность пространственного заряда электронов проводимости; v _k – средняя скорость электронов проводимости; A _k и f _k – потенциалы полей электронов проводимости.

В силу того, что v_k<<c, в идеальном проводнике будут существовать практически только магнитное поле и индукционное электрическое поле, образованные векторным потенциалом A _k.

2. Разомкнутая (некирхгофовская) цепь. Теперь перейдем к уравнениям для безинерциальных токов (некирхгофовские цепи). В силу того, что , мы можем рассмотреть волновое уравнение только для r _n, поскольку уравнение для токов по существу то же самое.

(1.3)

Если длина проводника весьма мала по сравнению с длиной волны (), тогда D r _{n »} 0.

Это означает, что градиент пространственного заряда безинериальных частиц grad r _n мал, т.е. через любое поперечное сечение ветви электрической цепи протекает практически один и тот же заряд в единицу времени. В этом случае мы можем пренебречь запаздыванием и рассматривать уравнение

(1.4)

без учета уравнения (5.3). По форме это уравнение совпадает с уравнением (5.2) и структура полей оказывается очень близкой. Соответственно, индуктивности и емкости по отношению к безинерциальным зарядам и токам должны вести себя примернотак, как они ведут себя по отношению к зарядам и токам из электронов проводимости.

Однако различие все же существует. Дело в том, что поля некирхгофовских токов всегда имеют поперечный характер. При отсутствии взаимодействия с электронами проводимости они не имеют потерь в проводниках. Возможно, именно они отвечают за явление сверхпроводимости металлов при очень низких температурах.

В разомкнутой электрической цепи при отсутствии паразитной емкости между концами цепи, которая могла бы замкнуть кирхгофовскую цепь, электроны проводимости практически не создают тока. Безинерциальные же токи образуют стоячую волну с узлами тока на концах цепи. По этой причине в разомкнутой цепи существует хотя бы маленький ток, пропорциональный sin(p z/l), где z – расстояние от точки обрыва цепи.

Например, телефонный наушник (или репродуктор), подключенный с помощью длинного проводника только одним концом к потенциальному проводу трансляционной сети будет негромко “вещать”. Громкость звука практически не зависит от длины соединительного провода, т.е. от расстояния между наушником и нулевым проводом трансляционной сети.

Ниже мы исследуем некирхгофовские цепи на низких частотах.

Уединенная емкость

В стандартных учебниках физики рассматриваются два вида емкостей: уединенная или собственная емкость и взаимная емкость двух тел, т.е. конденсатор, которые изображены на рис. 2. Уединенная емкость есть металлическое тело, изолированное от других проводников.

                                                                             Рис. 2

В учебниках этой емкости обычно не уделяется внимания, и описание емкости ограничивается формулой

(2.1)

где: С – величина уединенной емкости; f - потенциал проводящего тела по отношению к бесконечности; q -–заряд на уединенной емкости.

Составим теперь цепь из генератора, двух соединительных проводов и двух металлических тел (уединенные емкости), изображенную на рис. 3а.

При наличии переменного напряжения U в ветвях разомкнутой цепи будет течь ток. Эту цепь можно заменить эквивалентной схемой замещения, изображенной на рис. 3б. На этой схеме C _1¥ и C _2¥ - уединенные емкости первого и второго тела, C ₁₂ – взаимная емкость между этими телами (конденсатор).

Если считать бесконечно удаленную поверхность S проводником, то разомкнутую цепь мы как бы свели к замкнутой кирхгофовской цепи. Но такой вывод ошибочен. Замкнутой кирхгофовской цепью служит последовательное соединение элементов: тело 1 – проводник – генератор U – проводник – тело 2 – емкость C ₁₂ – тело 1. Если емкость C ₁₂ мала и емкостью можно пренебречь, то оставшаяся часть схемы представляет собой некирхгофовскую цепь, подчиняющуюся своим волновым законам.

                                    Рис. 3

В такой цепи ток в различных сечениях проводов между каждым телом и генератором будет различен. В цепи установится стоячая волна тока и напряжения. Подобная цепь обладает любопытными свойствами.

Например, при экспериментальных исследованиях мы пытались измерить ток в соединительном проводе, как показано на рис. 4, с помощью прибора АВО-5 (тестер на полупроводниковых диодах). Напряжение в линии 900 В, частота 18 кГц. На этом же рисунке показаны пять способов включения этого прибора. Оказалось, что при любом способе включения стрелка прибора отклонялась практически на один и тот же угол. Этот угол не зависел от положения ручек переключателей диапазонов измерения токов и напряжений.

Рис. 4

Аналогичное явление впервые описал в своих интересных экспериментах талантливый изобретатель Авраменко [2], [3].

Эксперимент Авраменко

К сожалению, в [2] мы имеем только словесное описание эксперимента. По этой причине мы восстановим эту схему, опираясь на [2], [3] и заранее просим у читателей извинения за возможные неточности.

Итак, 5.08.90 в одной из лабораторий МЭИ был продемонстрирован эксперимент, схема которого изображена на рис. 5. В экспериментальную установку входил машинный генератор 1 мощностью до 100 кВт, генерирующий напряжение с частотой 8 кГц. Этот машинный генератор питал первичную обмотку трансформатора Тесла 2.

Рис. 5

Один конец вторичной обмотки был свободен (ни к чему не подключен, как показано на рис. 8). Ко второму концу были подсоединены последовательно следующие элементы: термоэлектрический миллиамперметр 3, тонкий вольфрамовый провод 4 (длина провода 2,75 м, диаметр 15 мкм) и “вилка Авраменко” 5.

Вилка Авраменко представляет собой замкнутый контур, содержащий два последовательно соединенных диода, у которых общая точка подсоединена к описанной ранее цепи, и нагрузку. Нагрузкой служили несколько подсоединенных лампочек накаливания.

По этой разомкнутой цепи Авраменко смог передать от генератора к нагрузке (лампам накаливания) электрическую мощность порядка 1300Вт (!). Электрические лампочки ярко светились.

Казалось бы, это явление легко объяснимо. Схема содержит уединенную емкость, образованную цепочкой ламп накаливания и соединяющими их проводами. При положительном полу периоде напряжения через диод D ₁ в эту цепь течет зарядный ток. И потенциал уединенной емкости возрастает. При отрицательном полу периоде напряжения эта емкость разряжается через диод D ₂, приобретая новую величину потенциала. Зарядно-разрядный ток I _o имеет всегда одно направление и его величины достаточно, чтобы поддерживать на лампах накаливания в вилке Авраменко среднюю мощность 1300 Вт.

Ток I ₁ в цепи, соединяющей конец обмотки трансформатора Тесла с вилкой Авраменко, должен быть близок или приблизительно равен по величине току I _o. Если, например, нагрузка вилки Авраменко представляет собой последовательное соединение 6-ти двухсотваттных ламп накаливания, то разрядно зарядный ток I _o будет равен 1 А. Соответственно такой же примерно величины должен был бы быть и ток I ₁.

Однако такое объяснение противоречит следующему факту. Термоэлектрический миллиамперметр 3 зафиксировал очень малую величину тока I ₁ (I _1»2mA(!)), а тонкий вольфрамовый провод 4 даже не нагрелся! Именно это обстоятельство послужило главной причиной трудности объяснения результатов эксперимента Авраменко.

В работе [3] приведены результаты аналогичных измерений при более высоких частотах и более низких напряжениях. Они качественно повторяют результаты описанного выше эксперимента.

Приведем некоторые выводы, сделанные Авраменко и его коллегами на основании этих исследований.

1. Ток I _o в вилке Авраменко линейно увеличивается с ростом частоты (диапазон измерений 5 – 100 кГц) и практически линейно возрастает с ростом напряжения генератора при постоянной частоте. Это свидетельствует о емкостном характере электрической цепи.

2. Магнитное поле в проводнике, соединяющем вилку Авраменко с генератором, не было обнаружено.

3. Ток I ₁ был очень мал по сравнению с током I _o и практически не обнаруживался ни тепловым, ни магнитоэлектрическим измерителем тока. По этой причине наличие в соединительной цепи (трансформатор Тесла – вилка Авраменко) последовательно соединенных резисторов (до нескольких десятков МОм), конденсаторов и индуктивностей оказывало чрезвычайно малое ослабляющее действие на ток I _o в вилке Авраменко.

Здесь мы не будем обсуждать гипотезу авторов, изложенную в [3], о предполагаемом механизме передачи энергии. Отметим лишь ее основные моменты.

Согласно их точке зрения в цепи течет продольный ток смещения, не создающий магнитного поля. Величина e металла изменяется с удвоенной частотой от 1 до ¥ и это изменение связано с фазой подаваемого в цепь напряжения. Продольный переменный ток смещения I ₁ обладает “сверхпроводящими” свойствами, т.е. не выделяет тепла в резисторах и практически не создает на них падения напряжения.

В вилке Авраменко этот ток преобразуется в обычный пульсирующий ток I _o. Однако, в подобном объяснении не все ясно. Если измерять напряжение U в точках АВ электростатическим вольтметром, а ток обычным амперметром, то при вычислении мощности в нагрузке наблюдается несоответствие с классическими законами. Вычисленные мощности , и закон Ома (где R –сопротивление цепи, содержащей лампочки) не соответствовали друг другу. Авторы пишут, что резисторы “как бы теряют свои номиналы” [3].

Контрольные эксперименты

Некоторые выводы в [3] нам представляются сомнительными. Например, отсутствие магнитного поля у тока I _1. Этот вывод противоречит электродинамике, поскольку любой ток смещения создает вокруг себя магнитное поле подобно обычному току проводимости. Сомнительным представляется заключение об изменении e металла. Подобное изменение должно было бы вызывать нелинейные явления в обычных проводниках. Эти несоответствия вызвали необходимость экспериментальной проверки некоторых выводов работы [3].

Электрическая схема контрольных измерений представлена на рис.6. Схема содержит генератор звуковой частоты 1 (до 20 кГц), повышающий трансформатор (1: 30) с ферритовым сердечником 2, воздушный трансформатор 3 для измерения тока I ₁ косвенным методом, вилку Авраменко с диодами 4, в которую включен многопредельный микроамперметр 5 и резистор R 6, а также уединенную емкость 7.

Рис. 6

Кольцевой ферритовый трансформатор 2 имеет две отдельные обмотки для уменьшения взаимной емкости. Уединенная емкость C ¥ выполнена из алюминиевой фольги шириной 20 см, размещенной по периметру лаборатории 4х5 м. К свободному концу А трансформатора 2 можно было подсоединять провод (до 1 м) для увеличения потенциала на вилке Авраменко. Для градуировки измерителя тока 3 между точками А и В мог включаться эталонный многопредельный микроамперметр переменного тока 8.

Потенциал переменного напряжения мог контролироваться с помощью измерителя потенциала 9 (тоже вилка Авраменко), щуп которого можно было подключать к любой точке схемы. В нем использовался микроамперметр на 50 мкА.

Эта экспериментальная установка имела следующие достоинства. Токи I ₁ и I _o были в несколько раз выше, чем без уединенной емкости C ¥. Они значительно превышали ток измерителя потенциала 9. К недостаткам схемы можно отнести следующее. Существует небольшая паразитная емкость между свободным концом А трансформатора 2 и уединенной емкостью, а также в емкости C ¥ возникают наводки сетевого напряжения промышленной частоты 50 Гц.

Экспериментальные исследования продолжаются и в настоящее время. Но на основании уже полученных результатов измерений можно сделать выводы, не во всем совпадающие с выводами работы [3].

1. Была подтверждена линейная зависимость тока I _o в вилке Авраменко от частоты при неизменной амплитуде переменного напряжения.

2. Была подтверждена линейная зависимость токов I _o и I ₁ от напряжения, которая нарушалась при очень низких напряжениях генератора 1.

3. Было обнаружено наличие магнитного поля, создаваемого током I _1. Это свойство использовалось нами для измерения величины этого тока измерителем 3.

4. Измеренное значение отношения токов I _o/ I ₁ составляло величину от 4 до 10-12. В частности, оно зависело от длины проводника, подсоединяемого к свободному выводу А вторичной обмотки трансформатора 2.

Таким образом, был установлен важный факт. Ток I ₁ оказался во много раз меньше тока I _o. Это различие, возможно, много больше измеренных отношений, поскольку оно могло быть “замаскировано” влиянием паразитной емкости (образованной свободным выводом А вторичной обмотки трансформатора и уединенной емкостью), по которой должен всегда протекать кирхгофовский ток.