Пристрій для передачі електроенергії через вільний простір

Пристрій для передачі електроенергії через вільний простір, що містить випромінювач із випромінювальною антеною і генератором електроенергії та приймач з приймальною антеною і опором навантаження її, який відрізняється тим, що антени випромінювача і приймача виконані в формі псевдосфер, на півпсевдосферах яких намотані котушки індуктивності із право- і лівогвинтовою намотками, які у випромінювачі з'єднані послідовно між собою і генератором електроенергії, а в приймачі з'єднані паралельно між собою і опором навантаження. (19) (21) 20040705710 (22) 13.07.2004 (24) 15.02.2007 (46) 15.02.2007, Бюл. № 2, 2007 р. (72) Крюк Віталій Григорович, Яцишин Віталій Анатолієвич, Бельдій Микола Миколайович (73) Крюк Віталій Григорович, Яцишин Віталій Анатолієвич, Бельдій Микола Миколайович (56) Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. - М.: Энергия, 1969. - С.129 JP 2004088443, 18.03.2004 US 4408206, 04.10.1983 GB 525998, 09.09.1940 3 78002 4 і опором навантаження 6; котушки 1 і 2 та 4 і 5 маrr 0 = div[E H]dV (8) ють форму напівпсевдосфер і функціонально є випромінюючою та приймальною антенами ППЕЕ. V При цьому, враховуючи залежності (3) і (4), Далі описується робота ППЕЕ із залученням приходимо до висновку, що для опису процесів в елементів математичної теорії поля, інтегральних ППЕЕ у рівності (8) слід розглядати тільки об'єм рівнянь Максвела, теорії сповільнюючих систем і псевдосфери, тобто квантових уявлень та теорії електричного коливаrr льного контуру. 0 = 2 div[EH]dVn (9) Форма антен - псевдосфера (Фіг.2) є тілом Vn кручення трактриси навколо асимптоти Х'Х (Фіг.3). Трактриса - це геометричне місце точок, які залибо тільки в цьому випадку антени випромінюшає за собою один із кінців відрізка а, якщо його вача і споживача ППЕЕ існують у просторі цілими другий кінець рухається по прямій Х'Х. АО=а - ви(завершеними) субстанціями. Дійсно, із (9) маємо сота трактриси (j0=90°); M - точка дотику до трактrr rr div[EH]dVn = - div[E H]dVn риси відрізка МР=а (j0 0 - це джерело (істок) поля, а 1 rr (Vn) рівний половині об'єму цієї сфери ( Vc ), тобdiv[EH ] > 0 - це приймач (сток) поля [1 стор.787]. 2 Рівністю (10) в загальній формі описується то 2 2 електромагнітний взаємозв'язок антен випроміню(3) Sn=Sc=4pa =4pr вача і споживача ППЕЕ з коефіцієнтом взаємозв'я1 2 3 1æ4 3ö зку Vn = Vc = p a = ç p r ÷ (4) 2 3 2 è3 ø КЕН=1 (11) [2 стор.827]. Деталізуємо загальний опис. Відомо, що потужність випромінювання (Р) Процеси в ППЕЕ Фіг.1 описуються на основі електромагнітної енергії через замкнену поверхню інтегральних рівнянь Максвела r за одиницю часу визначається формулою r r ¶B r Ed l = dS ® rr r r r ¶t P = PdS = EH dS (5) L S , (12) r S S r r ¶D r r rr Hd l = dS де P = [EH] - вектор об'ємної щільності (гус¶t L S тини) потоку електромагнітної енергії - вектор Поr в яких відмінність знаків, як відомо, пов'язуєтьйнтінга; d S - елемент площі S замкненої поверхні r ¶D [1 стор.101]. Враховуючи, що ся із лівогвинтовою системою відліку між E і ¶t H r E= , r ¶D 120 p та правогвинтовою між H і [3 стор.250]. ¶t де 120p=377Ом - хвилевий опір вільного просАле в ППЕЕ Фіг.1, внаслідок право- і лівогвинтору, і поклавши тової намотки котушок антена випромінювача 1, 2 і 2 dS = 4p r , споживача 4, 5 має місце вимушений право- і лівогвинтовий зв'язок електричних і магнітних величин S кожного з рівнянь системи (12), що ілюструється на основі (5) одержують на Фіг.4 і формалізується у вигляді 30P r (6) E= r r r r r + n ¶B X dS U= E ^ X d l^ C = ^X (13а) + + [1 стор.102]. Формула (6) є базовою в розраху¶t L ^X S^X нках напруженості електричного поля Е в практиці r r r r x r ¶D ^ X r радіозв'язку при заданих величинах P і r. + H X d lX = + n dS X = + i = (13б) З оглядом на рівність (3) формула (6) є чин+ + ¶t R SX SX ною для замкненої поверхні як у формі сфери, так де перші знаки представляють систему ріві в формі псевдосфери. Але, з'являються недоренянь Максвела в звичайному вигляді - лівогвинточності тоді, коли, відповідно із теоремою Остроr r градського-Гауса, залежність (5) пов'язується з r ¶B ¶D r вии зв’язок E і та правогвинтовии H і , об'ємом ¶t ¶t rr r rr другі знаки в незвичайному, вимушеному вигляді [EH ]dS = div[E H]dV (7) r r ¶B S V правогвинтовии зв’язок E і та лівогвинтовии [1 стор.786]. Оскільки в рівності (7) об'єм V є ¶t r ізольованим (обмеженим) площею поверхні S, то r ¶D H і за межами S випромінювання відсутнє [1 стор.95], ; індекси х і ^х засвідчують орієнтацію ¶t тобто воно концентрується тільки в об'ємі V, що зв’язаних з ними величин вздовж асимптоти Х'Х і приводить рівність (7) до вигляду ò ò ò ò ò ò ò ò[ ] ò ò ò ò ò ò ò ò ò 5 78002 6 поперек неї; n - коефіцієнт пропорціональності, слідок, свідчить про близький до одиниці магнітний приблизно рівний кількості витків котушок 1, 2, 4 і 5 зв'язок між антенами випромінювача і споживача, при їх рівності. Враховуючи, що знаки перед велитобто чинами рівнянь системи (13) кодуютьв собі не KН » 1 . тільки право- чи лівогвинтовии зв'язок їх але і заЩо стосується зв'язку по електричній складокон збереження енергії (правило Ленца) [3 вій, то його можна визначити через магнітний. Дійстор.250], приходимо до висновку: енергетична сно, відповідно з Фіг.4, узгоджені магнітні поля r рівновага між право- і лівогвинтовою частинами + ¶B випромінювача індукують у протилежно антен випромінювача і споживача є резонансною. + ¶t Достовірність цього висновку і системи (13) в цінамотаних котушках 4 і 5 споживача протилежно лому підтверджується експериментами на модеr лях антен випромінювача і споживача. направлені дві електрорушійні сили (е.р.с.) x , які На Фіг.6 зображено основні конструктиви модіють узгоджено відносно опору навантаження v делей, де котушки 1 і 2 мають право- і лівогвинтоr x 6(R), являються джерелом струму + + i = r і, згідву намотки в 9-ти секціях по 28 витків проводу R ПЭЛШО-0,15 та розміщені на феритовому осердіно системи (13), задовольняють приблизній рівностержні 3 марки Ф-600 (ефективна магнітна пронисті кність m=20). Така модель є розвитком суті [4] і r r (14) x»U доволі адекватно описує електромагнітні процеси r в антенах випромінювача і споживача, бо довге де U - напруга генератора електроенергії 3. феритове осердя - це, по суті, безкінечний (нескінНа основі (14) коефіцієнт взаємозв'язку випромічений) соленоїд при порівняно коротких котушках, нювача і споживача по електричній складовій виякий виводить магнітне поле котушок у відносну значається величиною безкінечність (нескінченість), як і безкінечна (неKЕ » 1 . скінчена) псевдосфера в антенах випромінювача і Таким чином, без опору навантаження 6(К) не споживача; тим більше, що магнітний потік псевдосфери (Фn) є однорідним (константою) вздовж асимптоти Х'Х, тобто r r r F n = B XS ^ X = const , як і в циліндричному осерді моделі, що нескладно обґрунтувати математично. Обстеження моделей магнітним зондом (виток дроту Æ1,3см) привело до амплітуднопросторових резонансних кривих, зображених на Фіг.7 і 8. Електричні поля зображені на цих фігурах є результатом симетрування із магнітними та вимірів напруги на котушках при резонансі. Ці криві підтверджують миттєвий фазовий стан електричних і магнітних величин у рівняннях (13а) і (13б) та його зображення на Фіг.4. На Фіг.5 цей стан ілюструється абстраговано від елементів ППЕЕ. Слід зазначити тепер, що безкінечно (нескінченно) видовжена псевдосфера, до речі, із від'ємною кривизною поверхні [2 стор.826], взаємно зв'язує магнітні поля котушок 1 і 2 та 4 і 5 ППЕЕ із коефіцієнтом зв'язку, близьким до одиниці (як і видовжене феритове осердя в моделях). Це вимушує для кожного з рівнянь (13а) і (13б) вести пошуки ще однієї пари магнітних величин: пару власних, якщо наявні є взаємними, або пару взаємних, якщо наявні є власними. У зв'язку з цим, користуючись Фіг.4 та правоr r r гвинтовим зв'язком B і H з напрямом i , маємо r + ¶B X стверджувати, що узгоджені магнітні поля + ¶t рівнянні (13а) є взаємними, бо власні повинні бути неузгодженими (зустрічними); в свою чергу не r r узгоджені магнітні поля - + ò H X d lX у рівнянні (13б) є також взаємними, бо власні повинні бути узгодженими. В підсумку маємо стан, коли власні магнітні поля антени випромінювача випромінюються і являються взаємними в антені споживача, а власні антени споживача перевипромінюються і являються взаємними в антені випромінювача. Це, як на r v x існує струму + + i = r і в цілому величин рівності R (13б). Лише існування опору навантаження 6(R) спонукає системну взаємодію величин рівнянь (13а) і (13б) з коефіцієнтом взаємозв'язку (15) KЕН » 1 і, як наслідок, діючий ППЕЕ. Важливо, що без опору навантаження 6(R) геr нератор електроенергії 3 з напругою U підтримує резонансне випромінювання в локальну область простору [5] відповідно із рівністю (13а), залучаючи при цьому електричне і магнітне поле Землі [6]. Суттєво, що антени ППЕЕ суміщають в собі якості відкритого і закритого коливального контуру. Дійсно, з одного боку, швидкість (v) електромагнітного процесу між правогвинтовою і лівогвинтовою частинами антен визначається залежністю Dl T v= (16) де Dl - відстань між крайніми точками цих частин (Фіг.4), T - період електромагнітного власного резонансу антен; з другого - ці процеси діють у вільному просторі, тому c= Dl DT (17) де с - швидкість світла; DT - частинка Т. Відношення швидкостей цих процесів визначає величину n* = c T l = = >> 1 v D T Dl (18) де n* - коефіцієнт пропорціональності, який ідентифікується з відомим в радіотехніці коефіцієнтом сповільнення хвилі l до Dl , [3 стор.378]. Зрозуміло, що n в (13) і n* в (18) це фактично одна і та ж величина, що нескладно показати, користуючись методом визначення величини n для спіральних сповільнюючих систем [7 стор.372]. Залежності (16) і (17) не є симетричними відносно електромагнітного резонансу на терені Dl , 7 78002 8 них складових на Фіг.4 і 5 маємо, що в ППЕЕ магоскільки DT не с періодом. Тому, щоб уникнути цієї несиметрії залежність (18) доповнюється до нітні і електричні поля концентруються або в 4L, форми або в 4С період коливань цих полів n * Dl l T = 2p 4LC = 4p LC , n * Dl = = (19) 4 4 При цьому, опір випромінювання ( R S ) ідентиде величина Dl ідентифікується з чвертьхвифікується із величиною реактивного опору або левим вібратором-резонатором. індуктивності L(XL) або ємності С(ХC); тобто При цьому, величина Dl є мінімально можли1 R = X = X = wL = (20) 4 S вою, енергетичне самодостатньою, резонансною частинкою (квантом) власного електромагнітного резонансу антен ППЕЕ на хвилі, довжина якої представлена в (19) також резонансною чвертю - l . 4 Математично залежність (19) не заперечує іс L C wC 2p де w = 2pf = , бо опори XL і ХC діють неодноT часно і зміщені в просторі із-за існування Dl (Фіг.9). В резонансній системі, як правило, маємо 1 >> R B wC 4 нування біжучої і стоячої хвилі Dl , в рамках l . wL = Фактично ця можливість ілюструється на Фіг.9, де експериментальні результати Фіг.7 і 8 адаптовані до реальних антен ППЕЕ - відсутність феритового осердя в антенах ППЕЕ спонукає існування максимумів електричного і магнітного полів на кінцях котушок 1 і 2 та 4 і 5, зорієнтованих у сторони видовження псевдосфери в безкінечність (нескінченість). Останнє і демонструє Фіг.9а для антени випромінювача і Фіг.9б для антени споживача. Фазовий стан E^x(D^x) та Нх (В х) на Фіг.9 свідчить про синфазність і ортогональність їх в правій частині, що є умовою існування біжучої хвилі Dl , а відсутність синфазності і зміщення зазначених де RB - опір втрат. Тому, на основі (20) і (21) та загальновідомого співвідношення величин, яке визначає ККД випромінювання-приймання електромагнітної енергії, одержимо 4 величин на p в лівій частині є умовою існування 2 стоячої чвертьхвилі Dl . Ця подвійність (дуаль4 ність) якостей антен ППЕЕ і привела до подвоєння Dl на Фіг.9 порівняно із Фіг.4. Важливо, що викладене і залежність (19) переконують в тому, що ППЕЕ може функціонувати тільки в ближній, індукційній зоні, тобто в межах r £ l . Переносником 4 електромагнітної енергії в цій зоні є хвиля Dl або кванти Dl цієї хвилі. 4 Обмеження функцій ППЕЕ рамками резонансної чвертьхвилі l дозволяє розглядати ППЕЕ як 4 закритий коливальний контур, що почнемо із класичного. В класичному коливальному контурі - Фіг.6 із однією котушкою - маємо концентрацію магнітного і електричного полів або в індуктивності L, або в ємності С відповідно; період коливань цих полів класичний T = 2p LC де L - індуктивність однієї котушки; С - власна (паразитна) ємність однієї котушки. Як показали вимірювання, період коливань в моделі Фіг.6 (дві котушки) дорівнює T = 2p 2LC , що інтерпретується концентрацією магнітних і електричних полів або в 2L, або в 2C. Діючи по аналогії, на основі кількості електричних і магніт ККД = RS R = »1 R S + RB R + R B (21) (22) де R=(RS=XL=ХC) - опір навантаження 6 ППЕЕ. Результати (11), (15) і (22) свідчать про відсутність недоліків (1) і (2) відомих ППЕЕ. Роботи по експериментальній передачі електроенергії через вільний простір проводяться. P.S. Продовження експериментальних робіт в рамках винаходу [по заявці №2002021689 від 28.02.2002] і при умовах, описаних в ній (простір, обмежений лабораторією в залізобетонній споруді), увінчалось результатом: в мережі антени 2 випромінювача і в мережі заземлення 15 антени споживача одержані рівні електричні струми. Але, цей результат не повторюється у вільному просторі. Це і спонукало пошуки форм антен і зв'язаних з ними електромагнітних полів випромінювача та споживача, які б були одним цілим в ближній, індукційній зоні вільного простору; тобто, вони повинні об'єднуватись однією поверхнею і ділити навпіл обмежений нею об'єм. Саме цим умовам відповідають антени і зв'язані з ними електромагнітні поля випромінювача та споживача у формі псевдосфери, що є базою винаходу, який пропонується. Література: 1. Кугушев A.M., Голубева Н.С. "Основы радиоэлектроники", М. "Энергия", 1969. 2. Выгодский М.Я. "Справочник по высшей математике" М. "Наука", 1963г. 3. Яворский Б.М., Детлаф A.A. "Справочник по физике" М. "На ука", 1980г. 4. Крюк В.Г. "Антенное устройство" А.С.СССР №248796 // Б.И. №24, 1969г., стр.50. 5. Крюк В.Г. "Мощное излучение электромагнитного поля на длинных волнах в локальную область пространства", Киев "ХаГар", 2000. 6. Крюк В.Г., Яцишин В.А., Бельдій М.М. "Випромінювач електромагнітного поля". Заявка №2001086004 від 29.08.2001р. 7. Лебедев И.В. "Техника и приборы СВЧ",том I, М. "Высшая школа", М. "Высшая школа", 1970г. 9 Комп’ютерна в ерстка Т.Чепелева 78002 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601