2019 július 22 - hétfő

2.4.18.5. Energiaszívó antennák

Írta: Bill Beaty

Az itt következő sorokban Bill Beaty arról ír, hogy mi módon lehet egy fizikailag kis antennával nagy energiákat felfognunk.

Van itt valami, ami mindig zavarba ejtett: a fényhullámok hossza kb. 5000 angström, míg az atomok hullámhossza 1 angström körüli. Az atomok sok ezerszer kisebbek, mint a fény hullámhosszai, ennek ellenére az atomok nyilvánvalóan nagyon erős kölcsönhatásban vannak a fénnyel. Hogyan lehetséges ez? Lehet, hogy valahogy megkerülik a Kvantummechanika törvényeit (ahol a foton fizika érvényesül, nem pedig az elektromágneses hullámok törvényszerűségei)? Erre valamilyen magyarázatnak kell lennie.

Mikor egy dipólus antennának a hossza csak egy láb hosszú, akkor az biztos nem tud elnyelni egy 5000 láb hullámhosszú sugárzást. A fizikai tanulmányaim során sohasem kaptam erre ésszerű választ. Végül is találtam pár olyan fizikai magyarázatot, amitől a dolgok kezdtek letisztulni. Fontos megjegyeznem, hogy nem a Kvantummechanika oldotta meg ezt a problémát. Kiderült, hogy a helyes magyarázat nem csak kevésbé ismert, de nagyon vonzó is.

Ez a cikk arról szól, hogyan lehet apró antennákon keresztül a bejövő elektromágneses hullámokat egy LC rezonátorban vezetni. Ezek az antennák úgy viselkednek, mintha sokkal nagyobb fizikai méretekkel vagy mintha láthatatlan gyűjtőlencsékkel rendelkeznének, melyek jóval több elektromágneses (EM) energiát juttatnak az antennába, mint normális körülmények között az elvárható lenne. A szakmai megnevezése ennek a jelenségnek a kis antenna effektív apertúrájának a megnövelése.

Hogyan "csinálják" ezt az atomok?

A kérdéseimre keresve a választ ráakadtam erre az írásra, mely a VLF/ELF hurokantennákról szól. Nyilvánvalóan a kvantummechanika nem szolgál válasszal. Ehelyett a kis antennák eme különös viselkedésére a klasszikus elektromágnesesség egy kevésbé ismert területe adja meg a kulcsot. Ebben része van a rezonanciának is, de még nagyobb szerepet játszik az antennát körülvevő elektromos és mágneses mező. (Ez végül is várható volt, hiszen a világ nagyon sok jelenségét megmagyarázhatjuk a klasszikus fizika koncepcióival is. A fotonok és az EM hullámok ugyanazt a jelenséget magyarázzák, csak más szemszögből.)

Egy "elektromosan kis" antenna olyan antenna, melynek fizikai méretei sokkal kisebbek, mint az antenna által felfogott elektromágneses hullám hossza. Első ránézésre az elektromosan kis antenna nem olyan különös dolog. Ha a rádióhullámok átvitelére használjuk, akkor úgy működnek, ahogy el is várhatjuk tőlük. Ahhoz, hogy egy kis antenna nagy mennyiségű elektromágneses hullámot bocsásson ki, egyszerűen csak nagy teljesítményű jelet kell rávezetnünk (nagy feszültséget a kis dipólus antennára, vagy nagy áramot a kis hurok antennára).

Ha az EM mező elég erős a kis antennától mért egy hullámhossznyi távolságban, akkor a teljes EM sugárzás jelentős lesz. Majdnem olyan ez, mintha az EM mező maga is antennaként viselkedne. A gyenge mezők "Kis antennaként", míg az erős mezők "nagy antennaként" viselkednek. Ez megmagyarázza, hogyan tud egy kis antenna nagy mennyiségű EM energiát továbbítani. De mi történik a vételi oldalon?

Úgy tűnik, hogy ugyanez a koncepció magyarázza meg a vételi oldalon tapasztalható jelenségeket is, a "bemenet" a "Kimenet" ellentettje. Az EM mező manipulálásával elérhetjük azt, hogy az elektromosan kis antenna NAGYON nagy antennaként viselkedjen. A titok abban rejlik, hogy szándékosan hatást gyakorlunk egy mesterséges váltakozó áramú mezőre a vevőantennában, azaz kisugárzunk azért, hogy vehessünk. A hagyományos félhullámú antennák pontosan ezt teszik, mivel az elektronjaik előre-hátra rezeghetnek, miközben létrehozzák a saját EM mezejüket. A kis méretű félhullámú antenna vékony vezetékei túlságosan is vékonyak ahhoz, hogy blokkoljanak bármilyen rádióhullámot és elnyeljék azt. Ugyanakkor ennek az antennának az árama és a két vezeték közötti feszültsége nagy térfogatú EM mezőt sugároz ki, mely állandó fázisban van a bejövő hullámokkal. Ennek az állandó fázisnak a következtében ez a generált mező nagymértékű kölcsönhatásba kerül a bejövő hullámokkal. Létrejön egy interferencia kép, melynek szokatlan jellemzője van: a bejövő energia egy része nyilvánvalóan eltűnik. Az antenna által létrehozott mező kioltja a bejövő EM hullámok energiájának egy részét.

Sugározzunk azért, hogy vehessünk?

Ahelyett, hogy a nagyméretű félhullámú antenna vezetékeiben száguldozó elektronok által generált EM mezőre támaszkodnánk, mi lenne, ha egy teljesítményforrást alkalmaznánk? Ha az antenna hossza a rádióhullám hosszának a tízezred része, akkor valahogy rá kéne venni, hogy nagy antennaként működjön, melynek hossza mondjuk a rádióhullám hosszának egyharmada. Ezért egyszerűen csak nagyfrekvenciás jellel hajtjuk meg, melynek frekvenciája "megegyezik" a venni kívánt jel frekvenciájával, miközben a NF jel fázisát és az amplitúdóját megfelelő módon állítjuk be. A NF jel egy adott értékén érjük el a legjobb vételi viszonyokat.

Példának okáért vegyünk egy hurokantennát. Ha azt akarjuk, hogy a mi kis hurokantennánk sokkal több energiát fogjon fel, mint normál esetben, akkor nagy amplitúdójú váltakozó áramot kell előállítanunk az antenna tekercsében, miközben az áram fázisa szinkronban van a venni kívánt rádióhullámokkal, illetve attól 90 fokkal késik. Az antenna csatlakozói között a feszültség nagyjából akkora kell legyen, mint amekkora a meghajtatlan antenna kapcsain lenne normál üzemmódban. Viszont mivel az áramerősség jóval nagyobb a meghajtott antennában, ezért a másodpercenként vett energia szintén jóval nagyobb. Ez mérnöki istenkáromlásnak tűnik, ugye? Honnét vegyünk nagy áramot a vevőantennába, hogy megnövelhessük a VENNI kívánt jel teljesítményét? És nem kezd el sugározni a mi vevőantennánk?

Nos, ez a megoldás a látszat ellenére kivitelezhető. A teljesítmény a feszültség és az áramerősség szorzata. Ahhoz, hogy megnöveljük a távoli jelforrás NF teljesítményét, szándékosan megnöveljük az antennában folyó áram erősségét. Ez eléggé őrülten hangzik, ugye? Hogyan tudnánk javítani az elektromosan kis antenna vételi tulajdonságait azáltal, hogy kisugárzunk? A titok nyitja abban van, hogy az antenna közeli zónájának mágneses vagy elektromos mezejét kioltjuk. Az antenna közeli zónájának fizikája nemlineáris tulajdonságokkal rendelkezik, mivel jelen van egy vezető is. Az elektromágneses közeli zónában lehetőség van a hullám elektromos mezejének megváltoztatására anélkül, hogy megváltoztatnánk a mágneses mezőt, azaz megváltoztathatjuk az antenna feszültségét anélkül, hogy megváltoztatnánk az antenna áramát, és viszont. Az EM haladóhullámok egymásra hatásának itt nincs jelentősége, mivel az energiaátvitelt leíró egyenlet a vezető közelében vagy csak az U2-től, vagy csak az I2-től függ. Ezen kívül a feszültség szinte teljesen független az áramtól a közeli zónában. Ha mondjuk egy nagyon kis hurokantenna (azaz egy tekercs) veszi a nagyon kis amplitúdójú jeleket, akkor megnövelhetjük a vett jel "energiáját" mesterségesen megnövelve az áramot. Ha pedig kis dipólus antennát (egy kondenzátort) használunk, akkor megnövelhetjük a rövid dipólus által vett jel energiáját azáltal, hogy nagy amplitúdójú váltakozó feszültséget kapcsolunk az antenna csatlakozóira.

Ez nem mond ellent a hagyományos fizikának

Vegyük észre, hogy ez nem sérti meg a hagyományos fizika egyik szabályát sem. Ha erősebb EM mezőket adunk össze, akkor az összegük is erősebb EM síkhullám lesz és a venni kívánt rádió hullámokat a kis antenna felé hajlítja, mely elnyeli őket. Ezzel egyszerűen csak megnöveltük az antenna effektív felületét, vagyis az effektív apertúráját. Ezzel meg tudjuk változtatni az antenna és az azt körülvevő tér kapcsolatát, de az össz energia értéke még követi az energia-megmaradás tételét. A megváltoztatott mezők tehát csak az antenna "virtuális méretét", azaz az apertúráját változtatják meg.

Nagyon fontos tudni, hogy ez a jelenség eléggé korlátozott. Ezt csak elektromosan kis antennák esetében használhatjuk, azaz nem növelhetjük meg az antenna virtuális méretét jobban, mint a venni kívánt hullám hosszának negyede. Ha van egy nagy, félhullámú dipólusunk, akkor már lényegtelen, hogy milyen nagy a mi mesterséges váltakozófeszültségünk, mivel ekkor már nem nyel el több bejövő energiát. Ha viszont van egy különösen kis méretű antennánk, mondjuk egy 10 kHz-es hurokantenna, melynek mérete megegyezik egy süteményes kistányéréval, akkor ezt az antennát látszólag nagyon naggyá tehetjük. Vajon mekkora az antenna közeli zónájának az átmérője 10 kHz-en? 10 km körüli? Mi történik, ha ezen körzet bejövő energiájának csak a felét fel tudnánk fogni? Ez lehetséges: a jel felét elnyelethetjük, a másik fele pedig visszaverődik. Elméletileg a laboratóriumod asztalán lévő kis hurok antenna ugyanannyi energiát tud felfogni, mint egy vezetékes, félhullámú, 10 km hosszú antenna. Meglepő, ugye? A következőképpen tekinthetünk erre a folyamatra: ha létre tudunk hozni egy mezőt, ami a kis antennát körülvevő távoli zóna energiájának egy részét ki tudja oltani, akkor ez megsértené az energia-megmaradás tételét. A mező energiája nem tud csak úgy eltűnni! Ha az antenna közeli zónájában lévő energia egy részét kioltjuk, akkor ez tulajdonképpen csak egy elnyelési folyamat és a kioltott energia az antenna áramkörébe jut. Az adó antenna által emittált EM mező energiáját a vevő antenna nyeli el. Mikor AKTÍVAN MEGHAJTUNK egy antennát az "anti-hullámmal", akkor az antennánkat arra kényszerítjük, hogy az erősebb mezőt hozzon létre a bejövő hullámok kioltására és ezzel egyidejűleg az antenna több energiát nyel el a környező régió elektromágneses mezejéből, mint normál körülmények között tenné. Ezen kívül saját maga is kisugároz bizonyos mennyiségű energiát, de az antenna elmélet értelmében ez megegyezik az antenna által vett jel erősségével és tükrözött, vagy visszavert jelnek nevezzük. Jól ismert törvény, hogy nem tudunk EM jeleket felfogni anélkül, hogy annak fele ne sugárzódna vissza.

Itt jön az érdekes része a dolognak. Ha a jelek helyett teljesítményt akarunk felfogni az antennánkkal, akkor egy kritikus kérdés vetődik fel.

A kis antennát nagy jellel meghajtva nagy áram jön létre, ami melegíti az antennát. Ezért a kis antennák rosszabb hatásfokúak a félhullámú dipólus antennákhoz viszonyítva. Ha egy tényleg kis antenna virtuális apertúráját szeretnénk megnövelni – vagyis pl. a mi 10 kHz-es süteményes tányér nagyságú tekercsünket 10 km hosszú antennaként szeretnénk használni – akkor hamar zavarba jövünk a vezeték melegedése miatt. Az összes plusz energia a réz melegítésére fordítódik. A lehetséges megoldások a következők: használjunk szupravezető hurkot, vagy alacsony frekvenciákon használjunk a szupravezetővel ekvivalens anyagot, pl. forgó állandó mágnest vagy forgó kondenzátor lemezeket.

De az atomok hogyan "csinálják" ezt?

Ha figyelembe vesszük, hogyan lépnek kapcsolatba az apró atomok a hosszú fényhullámokkal, akkor hogyan növelhetnénk meg a jel feszültségét EGYETLEN ATOM méretére? Tulajdonképpen ez nem nehéz. Nem angström méretű rádióadó kell. A kulcs az EM energia oszcilláló mezőkben történő eltárolása, azaz a rezonancia.

Ha egy atom elektromágnesesen rezonál a fényhullámokkal, akkor a klasszikus nézőpontból az atom belső rezonátora a külső hullámok EM energiáját eltárolja. Úgy viselkedik, mint egy rezgőkör, melyet az időben állandóan növekvő erős váltakozó áramú elektromágneses mező vesz körül. A Kvantummechanika erre azt mondja, hogy az atomot virtuális fotonok veszik körül a rezonancia frekvencián. Ha a váltakozó mező fázisban van a bejövő fényhullámokkal, akkor az atom mezeje kölcsönhatásba kerül a fényhullámok mezejével és a fényhullám energiájának nagy részét kioltja az atom közeli zónájában. Az energia nem tűnik el, hanem az atom BELSEJÉBE kerül. Ennek az energiának a fele a legkülső elektront egy magasabb energetikai szintre löki, a másik felét pedig emittálja magából, mint visszavert hullám.

A rezonancia által keltett "anti-hullám" szuperponálódik a bejövő hullámokkal és azokat az atom felé hajlítja, ezáltal az apró atom energiát szív ki a hozzá képest hatalmas hullámhosszú fényhullámokból, amint az keresztül hatol az atomon. Mivel az atomban nincs hagyományos réz tekercs, amely energiaveszteséget okozna, ezért igen erős mezőt tud létrehozni maga körül, melynek következtében a tényleges fizikai méreténél jóval hatalmasabb atomként tud viselkedni.

Ez lehetetlen? Akkor olvasd el C. Bohren írását. Bohren kielemezte kis fém- és dielektromos részecskék viselkedését, melyeket hosszúhullámú EM sugárzásnak tett ki és aprólékosan bemutatja fél-klasszikus elemzéssel, hogy a rezgőkör jelenléte a porfelhőket "nagyobbnak mutatta, mint amekkorák valójában voltak".

Hogyan lehet mindez igaz? Hiszen az elektromos és mágneses mezők nem tudnak ELHAJLÍTANI más mezőket. Nem tudnak egymásra hatni közvetlenül, csak a szuperpozíció segítségével. Ugyanezen okból kifolyólag a fényhullám nem tud elhajlítani egy másik fényhullámot. De mint korábban már említettem, a tekercs vagy kondenzátor körüli mező matematikája eltér a szabadon terjedő EM hullámok matematikájától. Ha egy rúd mágnes mezejét hozzáadjuk a rádióhullámokhoz, és ha a rúd mágnes a megfelelő helyen van – azaz azon a helyen, ahol a rádióhullámok mágneses mezeje polaritást vált – akkor a rádióhullám eltorzul úgy, hogy az a rúd mágnes felé hajlik. Ezután, ahogy tovább halad az EM hullám, úgy forgathatjuk újra és újra a mágnest, hogy a mező ne hajoljon el egészen a következő fél-hullámig. Az energia egyenletesen folyik a forgó mágnes irányába.

Most pedig helyettesítsük a rúd mágnest egy váltakozó áramú tekerccsel és változtatgassuk a tekercs áramát úgy, hogy a mezők állandóan fázisban legyenek a bejövő rádióhullámokkal. Ebben az esetben a hullám energiája MINDIG a tekercs felé hajlik, amit az elnyel. A szuperpozíció még érvényben van, de ez egy KOHERENS szuperpozíció, ezért úgy viselkedik, mint egy statikus mező, azaz mintha egy állandó mágnes hajlítaná el a rádióhullámokat befelé és nyelné el az energiát ahelyett, hogy a mezők mindenféle érdekes eredmény nélkül egyszerűen csak összegződnének.

Figyeljük meg, hogy a tekercs szintén kisugározza a saját EM mezejét. Ez az emisszió jól ismert: az atomok ideális esetben az általuk elnyelt fény felét visszasugározzák. A dipólus antennák hasonlóan viselkednek: az elnyelt EM hullámok energiájának felét visszasugározzák.

Mikor a feljebb elmondottakat megvalósítjuk, akkor a mi rezgő tekercsünk a bejövő EM energia felét elnyeli, másikfelét pedig kisugározza magából. A fáziszárt rendszerben nem tudjuk megkülönböztetni a visszatükrözést a kisugárzástól.

Egy "lyuk" a fizikában

A rezonáló atom úgy viselkedik, mintha megnőne a mérete, hogy betölthesse a teljes közeli zónát. A Kvantummechanika fogalmai szerint ez úgy lehetséges, hogy az atom helyileg létrehoz egy hatalmas virtuális foton mezőt, mely normál körülmények között nem létezik. A koherens szuperpozíció miatt ez a MEZŐ VÁLIK ANTENNÁVÁ. Ennek az új mezőnek jelentős része (p * hullámhossz)/2 távolságra tágul az atom körül, és ez a távolság sok ezerszer nagyobb lehet az atom sugaránál. Az 1 angström átmérőjű atom a nagy AC mezővel 1/3 hullámhosszú antennaként viselkedhet a látható fény frekvenciáin. Az atom kis mérete ellenére hosszúhullámú sugárzásokat, azaz a fényt el tudja nyelni. A mi 1 angström átmérőjű atomunk egy fekete, 2000 angström átmérőlyű gömbbé válik, és hatékonyan abszorbeálja a 6000 angström hullámhosszú fényhullámokat. Elég furcsa, ugye? A fizikai tanulmányaim során sohasem hallottam erről. Nyilvánvalóan ez a hiányzó részlet az atomok által elnyelt fényhullámokkal kapcsolatban egy "lyuk" a fizikai képzésben. De van egy másik lyuk is: mikor az atom elnyeli a hullámokat, akkor az az elnyelt energia felét ki kell, hogy sugározza magából. Ez vajon azt jelenti, hogy mikor egy atom abszorbeál egy fotont, akkor az mindig KÉT fotonnal kell, hogy kölcsönhatásba kerüljön, azaz az egyiket "megeszi", a másikat pedig kisugározza?

dp-absb2 2.4.18.5. Energiaszívó antennák

1. ábra. Energia fluxus vonalak a rezonáló elnyelő közeli régiójában. Az apró elnyelő nagy korongként viselkedik.

Ez az "energiaszívás" nem korlátozódik csak az atomokra. Könnyen építhetünk egy eszközt a jelenség bemutatására. Itt következik egy egyszerű analógia, mely bemutatja, hogyan tudnak az apró atomok "energiát szívni" a hosszú fényhullámokból. Tételezzük fel, hogy VLF rádiójelet közvetítünk 1 kHz-en. A jel erősségét válasszuk meg úgy, hogy az pontosan megegyezzen a Föld gyenge vertikális elektromos mezejének erősségével, 100 V/m-rel. Ha az adó elektromos mezeje teljesen a vezető ionoszféra alatt van, és ha az ionoszféra alja a Föld felszínétől kb. 100 km magasan van, akkor a Föld teljes vertikális mezeje az aljától a tetejéig kb. 10 MV. A mi adónk ilyen mezőt kell, hogy létrehozzon. Ezek az értékek nem nevetségesek. Egy nagy, jól méretezett Tesla tekercs rendszerint 10 MV-ot állít elő. Ha egy ilyen tekercset kivinnénk a szabadba és egy szigetelt fém toronyhoz kapcsolnánk, akkor ez megtöltené a Föld teljes atmoszféráját 1 kHz-es sugárzással. Az ilyen AC feszültség 100 V/m-es mezőt hozna létre mindenütt a Föld felszínén. Ezt a mezőt érzékelni lehetne műszerekkel, de egyébként túl kicsi lenne ahhoz, hogy az ember érzékelje és nem is igen várhatnánk el, hogy ebből jelentős teljesítményt nyerjünk.

Kapacitív sík antenna

Rendben, tegyük fel, hogy van már egy érzékelhető AC elektromos mező forrásunk a házon kívül. Hogyan fog egy egyszerű antenna lemez energiavevőként funkcionálni? Nézzük meg a 2. ábrát.

abr2 2.4.18.5. Energiaszívó antennák

2. ábra.

Egy nagy vízszintes fémlap található kb. 1 méter magasan a talajtól, mely 100 V os 1 kHz-es jelet fog szolgáltatni. Viszont ezzel a 100 V-os "teljesítményforrással" egy rendkívül nagy kapacitású soros impedancia van sorba kötve. Tegyük fel, hogy a lemez/talaj közötti kapacitás 10 pF. Ahhoz, hogy a lehetséges maximális feszültséget kapjuk, a terhelő ellenállás értéke közel egyenlő kell legyen a soros impedanciával. Ez az impedancia dominál a 10 pF-os kapacitás értéknél, így ez 1 / (2 * p * f * C) = 16 MW-os ellenállást ad, ami lehúzza az antenna 100 V-os feszültségét 70,7 V-ra. Az ellenálláson megjelenő teljesítmény 300 mW, a rajta folyó áram pedig a mA-es tartományban van. Ahogy várható is volt, itt minden hasonlít a hagyományos rádióantennára. A bejövő EM hullámok gyenge elektromos mezeje csak "jel"-ként viselkedik, nem pedig jelentős teljesítmény forrásként. Ez nem tud meghajtani se motort, se égőt, de még egy LED-et sem.

Az alapvető probléma a fenti rendszerrel az, hogy a fémlapunk körüli üres tér feszültségosztóként jelenik meg. Ha az ég és a talaj közötti feszültségkülönbség 10 MV, és ha a fémlap csak pár láb magasan van a Föld felszínétől, akkor a lemezen csak viszonylag kis feszültség jelenik meg. Mivel az áram is kicsi, ezért a teljesítmény is nagyon kicsi lesz. Esetleg meghajthatnánk egy villogó LED-et ezzel az antennával, de csak ha egy-egy villanás között pár perces szünetek lennének. Esetleg ha felhúznánk egy hatalmas antenna tornyot, akkor annak következtében, hogy a lemezt magasabbra tettük, több lenne a teljesítmény, de egy ilyen antennával egyszerűen csak ellophatnánk a nagyteljesítményű rádióadók teljesítményét, ekkor nem volna szükségünk arra az 1 kHz-es jelforrásra.

Rezonáló antenna

Most pedig adjunk egy behangolt áramkört a fenti kapcsoláshoz és nézzük meg, mi fog történni:

abr3 2.4.18.5. Energiaszívó antennák

3. ábra

A rezonancián a fémlapunk 10 pF-os kapacitása gyakorlatilag eltűnik. A rezonancián egy ideális párhuzamos rezgőkör végtelen ellenállásként viselkedik. Ha az LC kör hajszálpontosan a rezonancián van és figyelmen kívül hagyjuk a vezetékek ellenállását, mekkora feszültség jelenne meg a fémlapunkon? 10 MV! A rezgőkör folyamatosan gyűjti az EM energiát, míg az antenna lemez feszültsége el nem éri az adó feszültségét. Ne felejtsük el, hogy ez a készülék viszonylag kis méretű, könnyen elfér a hátsó kertedben. Ez nem egy 25 mérföld magas 1 kHz-es negyedhullámú dipólus antenna torony. Itt nincs hatalmas antenna, ezért nem várhatók hatalmas elektromos teljesítmények az áramkörben. Ha nem lennénk tisztában a mechanizmusával, azt gondolhatnánk, hogy egy közönséges passzív LC rezgőkörrel van dolgunk, melynek folyamatosan növekszik a feszültsége, míg létre nem jön a koronakisülés. Villámok cikáznak ki belőle! A fémlaphoz közel az EM mező SOKKAL ERŐSEBB, mint a környezetben már jelenlévő gyenge mezők. Ez a készülék "perpetual motion"-re emlékeztet, mely a fizikusokban a csalás gondolatát váltja ki. Mindezek ellenére a tényleges magyarázat teljesen hagyományos, míg az energiaforrás érintetlen AC villamos térerőt hoz létre a távoli 10 MV-os adótoronyban.

Megjegyzés: A fenti jelenség csak ideális LC rezgőkörnél játszódik le, ahol a tekercs ellenállása nulla és ahol a rezgőkör Q-ja végtelen. Ha az antennánk lemeze egy szupraveztő Tesla tekercs rezonáló szekunderére kapcsolódna, akkor a kimeneti feszültség megavoltokra nőne. Viszont a legtöbb valós hangolt áramkörben a feszültség nem ér el ilyen magas értékeket.

De arra is emlékezzünk, hogy a feszültség az még nem teljesítmény. Hogyan fog egy valós készülék viselkedni? Valószínűleg a bemeneti teljesítmény még mindig kicsi lenne (mondjuk 300 mW, ahogy korábban láttuk), de az is lehet, hogy jól fog működni, de hónapok kellenek, mire ez a nagy feszültség felépül, mégha szupravezetőket is használnánk. Mennyi a tényleges vett energia? Tegyünk egy ellenállást a behangolt rezgőkör közé, amivel létrehoztunk egy tényleges energiafolyamot és lehúztuk a terheletlen feszültséget mondjuk 0,707 V-ra. Az ellenállásnak meg kell egyeznie a soros kondenzátor impedanciájával, 10-16 F-dal, ami 1600 GW-ot ad. Ez egy nagyon nagy ellenállás. Talán értelmesebb lenne, ha ehelyett a párhuzamosan kapcsolt nagy értékű ellenállás helyett egy, a tekerccsel sorba kötött kis értékű ellenálláson keresztül csapolnánk meg az energiát. Egy 1,6 TW-os teljesítmény ellenállást valószínűleg nehéz lenne találni az alkatrész katalógusokban!

Hatalmas vételi teljesítmény

Az 1,6 TW-os ellenállással a kis fémlap által vett RF teljesítmény 30 W. Ez SZÁZEZERSZER TÖBB, mint amit az egyszerű, nem rezonáló lemez esetén kaptunk. A kis antennánk lényegesen megnövekedett és mintegy "közvetlen kapcsolatba" került a távoli adóval. A saját impedanciájának megváltozásával átalakította a femtofarad "égi kapacitást" hatékony kapcsoló eszközzé. Kiküldte a kioltó hullámokat és hatalmas mennyiségű energiát húzott be magába azáltal, hogy meghajlította a környező mezőt. Ezáltal "illesztő transzformátorrá" vált, amely a 10 MV-os "égi feszültséget" lecsökkenti és megnöveli az "égi áramot". Ha megnöveljük a vevő lemez méretét vagy egy magas antenna toronyba emeljük azt, vagy esetleg fentről lefelé irányuló ionizáló X-sugarak vonalába helyezzük, akkor a vett teljesítmény arányosan növekedni fog. Tehát, kapcsoljunk egy nagy jósági tényezőjű rezgőkörhöz egy kis antennát és akkor sokkal több energiát tudunk felfogni. Egyszerű, ugye?

(Az sci.electronics.design forum mérnökei rámutattak, hogy a fenti rezgőkörnél megadott 10 MV-os határ nem áll fenn. A valóságban ez a feszültség még sokkal több lehet, mint az adó feszültsége, mivel a rendszer soros rezgőkörként viselkedik, s így a rendszer kimeneti feszültsége csak a rendszer Q-jától függ, a Q pedig a tekercs vezetékének ellenállásától.)
A korábbi nem rezgőkörös antennánknál a tényleges teljesítménynek csak egy nagyon kis részét tudtuk megcsapolni az ég kapacitásán keresztül. Ha el tudjuk érni, hogy az ellenálláson keresztülfolyó feszültség magas értékeket érjen el a rezonancia során, és hogy az adótól jövő jel fázisával megegyezzen az antennán folyó áram, akkor az energia drasztikusan megnövekszik. A kis égi áram továbbra is kicsi marad, de a jóval nagyobb antenna feszültséggel az U * I teljesítmény megnövekszik. Emlékezzünk vissza a káros kapacitív feszültségosztóra a 2. ábrán. A rezonáló rendszernél ez a hatás már nem érvényesül. Ugyanaz a dolog különböző körülmények között különbözőképpen viselkedik. Mint bármelyik teljesítmény továbbító rendszernél, itt is az történik, hogy nagyon kis áramok mellett megemeljük a feszültséget, ezáltal csökkentve a veszteségeket.

Összegzés

Egy hangolt váltakozó feszültségű rezgőkörnél, ahol a kis bemeneti áramok fázisa megfelelő, a bejövő hatalmas hullámokból nagy mennyiségű E x M teljesítményt tudunk "Kiszívni". Ez ugyanígy működik a hagyományos feszültségosztó áramköröknél is: hozzáadva egy rezgőkört a teljesítményforrás soros impedanciája lecsökken. Nézd meg ezt a példa áramkört. Ez akkor is így van, mikor az antenna áramkör egy része soros kapacitást tartalmaz, melynek dielektikuma több láb, vagy akár több 10 km széles üres térből áll. Ez olyan, mint mikor egy magasfeszültségű teljesítmény átvivő vezetékrendszert építünk ki: ahhoz, hogy a teljesítményt átvigyük a vékony vezetékeken, magas feszültséget és kis áramokat használunk, majd a vonal másik végén egy transzformátorral lecsökkentjük a feszültséget és megnöveljük az áramot. Az antennás átvitelnél mindössze annyi a különbség, hogy a nagyfeszültségű vonallal sorba kötünk egy nagyon kis értékű kondenzátort, melynek lég-dielektrikumát sok kilométeresre növeljük, ami által az áramerősség rendkívül alacsony értékű lesz. Ahhoz, hogy nagy teljesítményeket tudjunk átvinni, a feszültséget asztronómiai értékekre kell megnövelnünk az adó oldalon, majd le kell azt csökkentenünk a vevő oldalon. Viszont a vevő oldalon a közönséges lefelé transzformáló trafó helyett nagy Q-jú rezgőkört használunk és hagyjuk, hogy a rezonancia feszültség nagyon magas értékeket érjen el. Ennek eredményeként EM energiát "szívhatunk" a vevőnkbe.

A Tesla kapcsolat

Az összes infó Nikola Tesla "Vezeték nélküli" teljesítmény-átviteli sémájából származik. Ha meg tudjuk tölteni az atmoszférát 2 kHz-es VLF állóhullámokkal, és ha az ionoszféra visszatartja ezt az energiát, hogy az ne szökhessen ki az űrbe, akkor egy kicsi, nagy Q-jú rezgőkör jelentős teljesítményt tud kivenni az "égből". Ez akkor is igaz, ha a környező mező térereje igen kicsi, sőt, ha az adó sok ezer kilométerre van a vevőtől. Ez nem "rádió", ahol a hullámhossz megegyezik az alkatrészek méreteivel. Ez egy "kapcsolás", ahol a hullámhossz nagyon nagy, míg az alkatrészek nagyon kicsik, valamint az antenna működése inkább "AC kapcsolásra" emlékeztet, mint "EM sugárzásra".

Ha fém hurokantennát használunk fém kondenzátor lapok helyett, akkor a hurokban folyó áram végez a lemezen megjelenő feszültséghez hasonló feladatot: A rezgő áramnak nagyra kell nőnie, amitől a tekercset egy intenzív nagy térerősségű AC mágneses mező veszi körül. Ha a fázis megfelelő, akkor ez a mágneses mező kell, hogy szívja az energiát az adótól (vagy a helyi elektromágneses forrás mágneses mezejétől). Ne felejtsük el, hogy mindez csak KIS ANTANNÁK esetén áll fenn. Ha a jelforrás frekvenciája 150 MHz és az antennánk 1 m hosszú, akkor nem jön létre ez az effektus. Ez a jelenség csak a hosszúhullámú tartományban működik, ahol hosszú antennák, VLF frekvenciák, a Föld ionoszférája és a Schumann rezonancia van jelen. Bármely antenna esetén az áramkörök és hullámok kombinált fizikája érvényes, azaz az EM mező közeli és távoli régióinak egyenleteit használhatjuk. Úgy tűnik, hogy számos érdekes dolog bújik meg a közeli és távoli zónák matematikája mögött. Pl. az egyszerű kristály rádiók valójában energiaszívók, nem pedig behangolt vevők és mindenkinek vannak láthatatlan sok ezer méteres antennája, ha van egy hordozható AM rádióvevője.

Ez az "energiarabló" hatás eléggé korlátozott, mivel az adó tekercsétől vagy kondenzátorától csak kb. 1/6 – 1 hullámhossznyi távolságra, illetve a terjedő EM hullámok csúcsainál lép érvényben. Más szavakkal, mikor hozzáadunk egy hangolt rezgőkört az antennához, akkor megnöveljük annak "effektív méretét" úgy, hogy az egy félhullámú dipólus antennaként viselkedik. Rendszerint egyszerűbb egy félhullámú dipólus antennát építeni. Normális körülmények között ezt is tesszük.

Nincs benn a fizikakönyvünkben?

A fent ismertetett jelenség teljesen nyilvánvalónak tűnik, ennek ellenére korábban erről soha nem hallottam. A REZONÁLÓ ANTENNÁK SZOKATLANUL EFFEKTÍV VEVŐKKÉ VÁLNAK? Valószínűleg ennek az ellenkezője is igaz: a nagy mezejű rezonáló antennák kiengedik a rádióhullámokat, még ha nagyon kicsik is a hullámhosszhoz képest. Ha az ellenállásveszteségek nem állítják meg őket, akkor az AC mezejük addig növekszik, míg a jel végül elszökik. Vajon a legtöbb rádió mérnök tisztában van azzal, hogy minden kis méretű, nagy EM mezejű rezonáló antenna hosszú vezetékű antennaként viselkedik? Tudják-e a rádióamatőrök, hogy a 80 méteres adó antennájuk nagy jóságú rezgőkörrel hatalmas erősségű mágneses és elektrosztatikus mezőt hoz létre? Tudják-e az AM rádiótársaságok, hogy az adótornyaik valójában nem is szükségesek? Tudják-e a tanárok és tudósok, hogy egy egyszerű kristály rádió meg tud hajtani egy fejhallgatót, ha tartalmaz hangolt rezgőkört? (A hangolt rezgőkör nem szűrőként, hanem energia szívóként funkcionál!) Vajon a fizikusok tényleg megértették-e, hogy az apró atomok miként tudják elnyelni és kisugározni a hatalmas hullámhosszú fényhullámokat? És tudják-e a fizikusok, hogy két fotonra van szükség az atommal való kölcsönhatáshoz: egy hogy elnyelje, egy pedig hogy kisugározza?

A hordozható AM vevők tartalmaznak hangolt hurok antennát és mindig is tartalmaztak. Ezek szerint 1960 óta a zsebünkben hordozzuk a Nikola Tesla féle teljesítményvevőt. Ezek a régi, "regeneratív" vevők nem azok voltak, amiknek évtizedeken keresztül hitték az emberek: kisugároztak azért, hogy vehessenek. A regeneráció nem csak egy ötletes módja a kis jel erősítésének, hanem megnöveli a bejövő jelet bizonyos fizikai törvényszerűség kihasználásával.

A 90 évvel ezelőtti mérnökök többet tudtak, mint a mai modern tudósok?

További gondolatok

Tovább töprengve és az olvasók email-jeit olvasva pár újabb gondolatom támadt:

  • Próbáljuk meg a vevőhöz a lehető legmagasabb Q-jú rezgőkört adni, majd kapcsoljuk ezt a terheléshez egy zener diódán vagy más nemlineáris eszközön keresztül. Ez lehetővé teszi, hogy a hangolt kör feszültsége/árama nagy értékűre növekedjen és intenzív AC mezőt hozzon létre, miközben a terhelés nem hat vissza rá. Csak mikor az AC mező elérte a szükséges szinten, akkor veszünk ki energiát belőle és adjuk át a terhelésnek, ami nem a zener dióda. A ZENER csak soros ELLENÁLLÁSKÉNT fog viselkedne, hőt disszipálna és csak felesleges energiaveszteséget okozna. Ezért inkább használjunk egy detektor diódát és töltsünk fel egy DC kondenzátort.
  • Próbáljunk meg egy FM detektort alkalmazva az adó frekvenciájára hangolódni. Ha így teszünk, akkor nagyon magas Q tényező mellett nem lesz olyan érzékeny a rezgőkörünk az adó frekvenciájára. Akár még modulált (szélessávú, nem keskenysávú) jelet is kisugározhatunk, hogy távoli motort hajthassunk meg. Nem vagyok biztos abban, hogy az FM detektoros megoldás működik, ezért használhatunk aktív PLL-t (fáziszárt hurkot), melyet varikap diódával szabályozunk.
  • Amint a vevőnk rezeg és energiát vesz, próbáljuk meg hirtelen megváltoztatni az adó feszültségét. Mivel a teljes rendszer egy jól összehangolt transzformátorként működik, gyanítom, hogy az adóban történő gyors feszültségváltozások gyors változásokat generálnak a vevőben is. De az is lehet, hogy egy AC ciklusnak kell eltelnie, mire a változás észlelhető lesz. Ebből egy újabb vad gondolat származhat: Ha az adót "gyorsabban" moduláljuk az adó frekvenciájánál, akkor vajon megjelenik ez a gyors modulált jel a vevőben? Ez lehetetlen lenne, mivel ez megsértené az AM adás teóriáját. Ugyanakkor a kapcsolt rezgőkörök jobban hasonlítanak pár atomra, melyek fotonokat közvetítenek, mint egy RF adó-vevőre. Ha az eszköz kvantummechanikai koherens rendszerként működik, akkor valószínűleg az adót a vivőfrekvenciánál gyorsabb jellel is modulálhatjuk! Ha az működne, akkor az nagyon furcsa lenne, igaz? Képzeljük el, hogy a Föld 59 Hz-es rezonancia frekvenciáján adunk és az 59 Hz-es vivőhullámot 1 kHz-es jellel amplitúdóban moduláljuk, majd ez a jel megjelenik a vevő rezgőkörében! Akkor nem rádió energiát közvetítenénk. A jel sokkal inkább a kvantummechanika "hullámfüggvény kollapszisára" emlékeztetne, mely a Föld ionoszférájának segítségével terjed.
  • Ez a kapcsolás atomi elnyelést utánoz, de imitálja a stimulált emissziót is. Amint az áramkör rezeg, a fázisa miatt abszorbeálja a bejövő hullámokat. A fázisviszonyok okozzák azt, hogy összekapcsolódik az adóval. Ha az adót hirtelen kikapcsolnánk, akkor az áramkör nem tudna sugározni, mivel az adó hullámai nélkül nem tudna végbemenni a "poynt-fluxus emisszió" folyamata. Ez a jelenség határozottan nem lineáris! Tehát, mi történik, mikor az adó hullámai hirtelen elérik a kis antenna mezejét? Ha a fázisa megfelelő, a rövid antenna oszcillátorból emitterré alakul és energiát kezd kisugározni. Ez az energia szívó hatás ellentettje, mivel míg az energiaszívás akkor tud létrejönni, mikor a kis antennát egy erőteljes mező veszi körül, addig az energia kisugárzás akkor jöhet létre, mikor a rövid antenna körüli erőteljes mező haladó hullámokat tartalmaz. Az elnyeléshez és kisugárzáshoz egyaránt az antenna körüli csapdába ejtett mezőre, valamint a távoli adó haladó hullámú mezejére van szükség. Ha az eszmefuttatásom helyes, akkor ez azt jelenti, hogy lehetséges volna egyfajta rádió frekvenciás lézert szerkeszteni, amely a hurok antenna rezgőkörébe csatolja a távoli adó által keltett hullámok energiáját.

RF transzformátorok: szoros kapcsolás két távoli tekercs között

A vasmagos transzformátorok a szoros mágneses kapcsolás jó példái, ahol jelentős mennyiségű teljesítményt lehet átvinni a 60 Hz-es transzformátor tekercsei között. A kondenzátorok ehhez hasonlóan a szoros elektrosztatikus kapcsolás példái. A rezgőkörök két újabb lehetőséggel szolgálnak a szorosan kapcsolt teljesítmény-átviteli rendszerekhez: a nagyáramú rezonáló hurokantenna párokat és a nagyfeszültségű rezonáló dipólus antenna párokat. Ezek között az antenna párok között a távolság 1 hullámhossznál kevesebb kell legyen, hogy a jelenség létrejöhessen, valamint az elektromos vagy mágneses erőtérnek nagyon erősnek kell lennie. Ezekre példa a nagyteljesítményű VHF rádióadók légmagos transzformátora. Ha a légmagos trafó mindkét tekercse ugyanarra a frekvenciára van hangolva, akkor a trafót körülvevő mágneses mező nagyon erőteljes lesz, mikor is az átvihető teljesítmény nagyon magas értékeket érhet el annak ellenére, hogy nincs vasmag a tekercsben és a tekercsek közötti kapcsolat "nyilvánvalóan" nagyon laza.

Az anyagot innét fordítottam.

További elméleti fejtegetéseket olvashatsz a következőkben:

A következő oldalon a Térszobrászat olvasóinak kísérleteiről olvashatsz.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás