Аннотация
Согласно классической теории, амплитуда ЭДС самоиндукции определяется током в момент разрыва цепи, а значит, при неизменной длительности импульса остаётся неизменной. Однако эксперимент демонстрирует многократное увеличение амплитуды ЭДС и энергии накопительного конденсатора при сохранении той же длительности импульса и без роста тока потребления. Энергия возросла в 16,6 раза — со 130 В до 530 В на конденсаторе.
1. Введение
Согласно классической теории электромагнетизма, амплитуда ЭДС самоиндукции определяется исключительно величиной тока, протекающего в момент разрыва цепи. Этот ток, в свою очередь, зависит только от длительности открытого состояния транзистора. Следовательно, если длительность импульса остаётся неизменной, то ток в момент разрыва цепи и амплитуда ЭДС самоиндукции в конце каждого импульса также должны оставаться неизменными.
Однако предлагаемый метод демонстрирует многократное увеличение амплитуды ЭДС самоиндукции при сохранении одной и той же длительности импульса. Поскольку длительность импульса не изменяется, ток, потребляемый от источника питания во время открытого состояния транзистора, также остаётся неизменным. Тем не менее заряд, накопленный в конденсаторе, а следовательно, и запасённая в нём энергия, увеличиваются в несколько раз.
Стоит подчеркнуть, что амплитуда ЭДС самоиндукции в момент разрыва цепи определяется не только величиной тока, но и скоростью изменения тока в этот момент. Это непосредственно следует из закона электромагнитной индукции Фарадея и описывается уравнением:
Иными словами, именно скорость изменения тока в момент разрыва цепи является ключевым фактором, определяющим амплитуду импульса. В данном эксперименте как величина тока в момент разрыва цепи, так и скорость его изменения остаются неизменными.
2. Схема эксперимента
2.1. Компоненты схемы
- Источник питания: регулируемый 12–50 В. Эффект стабилен с линейным источником, бустером, бензогенератором и ИБП.
- Конфигурация схемы: последовательно соединены источник питания, первичная обмотка трансформатора, транзистор, минус источника питания.
- Трансформатор T1: ферритовое кольцо 80×50×20 мм. Первичная обмотка — 2,9 мГн, вторичная — 3,56 мГн (провод 0,75 мм², противоположные стороны кольца).
- Коммутирующий элемент: MOSFET RSM1701K0W. Управление от генератора через изолятор ISO721MD и драйвер TC4452. Драйвер питается от изолированного источника 15 В с плавающей землёй, не связанной с минусом силового источника.
- Накопитель энергии: конденсатор 1 мкФ, включённый последовательно с диодом Шоттки C4D20120D параллельно вторичной обмотке.
- Измерения: LCR-метр MS5308, осциллограф Siglent SDS1204X-E (минусовые щупы — на минус источника). Жёлтый луч — затвор, бордовый — сток (импульс ЭДС самоиндукции).
3. Описание эксперимента
В прилагаемом видеоролике показана процедура настройки. Постепенно уменьшая интервал между окончанием одного импульса и началом следующего, можно добиться многократного увеличения амплитуды ЭДС самоиндукции, проявляющегося в увеличении напряжения на конденсаторе-накопителе.
3.1. Результаты измерений
До настройки напряжение на конденсаторе-накопителе составляло 130 В. После определения оптимальной частоты следования импульсов напряжение увеличилось до 530 В.
Энергия, запасённая в конденсаторе (C = 1 мкФ), до настройки:
после настройки:
3.2. Что показывает ноль на амперметре?
Нулевое показание амперметра источника питания не означает, что ток в цепи отсутствует. В момент разрыва цепи (когда транзистор выключается) на индуктивности возникает ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС формирует высоковольтный импульс, и в цепи первичной обмотки начинает протекать обратный ток в направлении источника питания. Этот ток течёт в противоположном направлении и возвращается обратно в источник питания.
Это показано на осциллограмме, где зелёная осциллограмма представляет ток, измеренный через шунт, а бордовая показывает импульс ЭДС самоиндукции. Положительная часть осциллограммы тока соответствует току, возвращающемуся в источник питания. Таким образом, нулевое значение на амперметре означает, что за время измерения среднее значение тока, потребляемого от источника, компенсируется током, поступающим обратно в источник.
Отсутствие увеличения тока, потребляемого от источника, при коротком замыкании вторичной обмотки делает нецелесообразным подключение резистивной нагрузки вместо конденсатора-накопителя, поскольку в данном режиме во вторичной цепи отсутствует ток проводимости. Поэтому предлагаемый метод предназначен исключительно для циклического режима: заряд конденсатора-накопителя, остановка процесса генерации и последующий разряд конденсатора на резистивную нагрузку.
4. Парадокс
Ключевым условием настройки является достижение нулевого (или минимально возможного) тока потребления от источника питания как при зарядке конденсатора-накопителя, так и при коротком замыкании вторичной обмотки. Это указывает на то, что схема фактически развязана с источником питания. Кроме того, напряжение питания влияет на величину потребляемого тока: изменение напряжения позволяет регулировать ток и выбирать оптимальный режим работы.
Эффект устойчиво воспроизводится при использовании различных типов источников питания, индуктивностей и ключевых транзисторов. Это указывает на то, что наблюдаемое явление связано с фундаментальными физическими процессами, а не является следствием особенностей конкретных электронных компонентов.
После настройки экспериментальной установки сравните осциллограммы напряжения и тока первичной и вторичной обмоток ферритового тороидального трансформатора. В трансформаторе сигнал во вторичной обмотке должен соответствовать сигналу в первичной и отличаться только масштабом, определяемым коэффициентом трансформации. Однако в данном эксперименте осциллограмма вторичной обмотки показывает сигнатуры, принципиально несовместимые с традиционным описанием процессов магнитной индукции в ферритовом сердечнике.
Теперь перед вами остаётся главная загадка: что именно вызывает это аномальное увеличение ЭДС самоиндукции? Предлагаю вам самостоятельно найти ответ.