电磁驻波

本帖最后由 能量海 于 2017-8-8 02:36 编辑


第三章:静脉冲系统

电磁驻波

  直到现在(20136月),我还没有听说过有人试图复制这个专利里显示的设计,所以把它放在这里,只是万一有人想要试一试。这似乎是一个聪明的技术。通过调整发射和接收线圈到振荡器的频率来使功率增益最大化,尽管实际上,极有可能振荡器频率被调整到发射器线圈,因为调整一个振荡器的频率是如此容易。 

  博伊德没有进入到非常详细地关于实现共振,而那一般在没有自动调谐的任何设计中是一个主要难点。需要铭记在心的是每个线圈(以及可能是它的重量)中导线的长度是一个关键因素。博伊德谈到线圈可能具有相同的匝数,假如线圈的大小相同就好,也就是说,从上面看,具有相同的形状,而从侧面看,则匝数的深度相同,而每个线圈完全相同的匝数具有完全相同的导线长度。共振在一段导线中,无论它是直直地敷设,或绕成线圈,很多人往往混淆。理查德•奎克在他的201175日的美国专利7973296中对共振有非常清楚的解释,是非常有用的。他说:

  
“四分之一波长;电磁驻波”
  两种主要类型之一的电共振这里是指四分之一波共振。这种类型的共振几乎完全取决于电线元素的长度。理由如下所述,如果一个段或导线的长度是四分之一,只要“电压波”正在通过导线,那么一组“反射”波将被添加到发射波,在同步对齐中产生更强的“叠加波”。

  因此,“四分之一波”现象的了解将帮助读者理解一个直截了当的和容易控制的要素(即,一条将用于构成一个螺旋线圈的导线带的长度)如何可以帮助建立一个“四分之一波长”共振反应,这将创建称之为“驻波”的各类电磁脉冲和场。

  通过金属导线传输的电压脉冲的速度是非常快的。它本质上与光速相同,这种传导在一秒钟里走3亿米(186,000英里)(这个距离能绕地球7圈以上)。

  如果波长(米)乘以频率(每秒周期),其结果将是光的速度,3亿米/秒。因此,一个“交流电”(AC)电压的波长,在某些特定的频率上,将是光速,除以那个频率。

  因此,使用简单的除法,如果交流电压运行在1兆赫(MHz)的频率上,这是每秒一百万周期,那么在该频率上的“波长”将是300米。如果频率对分成为500千赫,波长变得两倍(600米)长;如果频率增加至2兆赫,波长下降到150米。

  应当指出,术语“周相”是科学家们称之为“一个无量纲单位”,当其它物理条件是乘或除的时候,它会退出和不显露。

  在10千赫或更高的交流频率,一般指“交流电”(AC)电压开始使用不同的术语,即“无线电频率”(RF)电压。因此,RF电压是交流电压的一个组成部分(或子集),它在高于10千赫的频率下运行。 RF功率发电机都是现成的,而且通过互联网使用术语“RF功率发电机”搜索,可以很容易地找到许多公司出售。例如,霍特克技术公司(hotektech.com)销售两种RF功率发电机,称为AG1024AG1012型,它可以从20千赫到1兆赫的频率范围提供输出功率;1012型有1000瓦功率输出,而1024型有2000瓦的功率输出。任何这一类的RF电源的输出频率可以在整个工作频率范围内调整和“谐调”,仅仅是在这种类型的电源上通过转动旋钮或操纵其他控件。

  在导线有一个固定不变的长度时,创建“驻波”的最简单的方法是通过一个可调频率的电源来调整RF频率的发射,直到“谐调”的频率创建一个4倍于线长的波长。这一原则对于物理学家来说是众所周知的,它通常被称为“四分之一波长”的行为,因为导线段的长度必须是波长的四分之一。由于它对本发明是重要的,它背后的原理由一系列图示、从图.1到图.4做了说明,所有这一切都是众所周知的现有技术。

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  图.1A 标示了一个理想化的交流电压的波长,由一个交流电源(显示为水平直线左端的一个圆)送入一根导线的“输入”端所描绘。电压波穿过这根导线右行,正如图.1A中的块状箭头所示。当这些波到达导线的另一端,它们不能离开导线(至少,不在一个简化的和“理想的”系统,它被假定为、和用这里来解释一条简单的导线是怎样创建一个驻波的原理)。因此,电压波会有效地从导线的末端“反弹”或“反射”回来,而这个“反射波”将通过这条导线返回,往相反的方向走,如图.1B中左指的块状态箭头所示。

  由于能量守恒定律,这一类波的反射和“回程”,当它们弹离导线的末端,其实是相当不错的,而且相当有效,正如下面所讨论的,假如导线末端不产生火花、电弧放电、或其他形式的电能“逃离”。

  因此,图.1A是描述一组“发射波”右行,而图.1B是描述理想的一组“反射波”沿着同一条线左行。

  图.1C说明了两组波(发射和反射波)相互叠加时会发生什么。由于两组波以完全相同的速度行进,而且因为它们有完全相同的波长,当它们加在一起时,它们将创建一种“驻波”的格局。正如图.1C中从所能看到的,将会有一组的位置,沿着导线的长度,它可以作为“峰节点”,在这里交流电压达到其最大值。

  在一对相邻的“峰节点”的中间位置,将有一个点可称之为“空节点”,一个“零节点”,一个槽或谷节点,或诸如此类的术语。在每个“空节点”位置上,交流电压将看来完全不波动。那些都是沿导线长度位置,这里每一个“正的”半波(由一个右行的正弦波创建)将被完全同一高度的、以相同的速度左行的“负半波”平衡和抵消。

  结果,这一类的响应将在导线内创建一个“驻波”。如果在“空节点”测量瞬时电压,它会显得什么事也没发生,就脉动电压而言。此外,“空节点”将不会沿导线的长度运动,而是会出现停滞。

  这可以用一个线圈来证明,通过使用“接地引线”来沿线圈的长度测试电压。如果“接地引线”连接到电压表是用来触碰非绝缘线圈的一系列多匝线表面的(例如用薄铜管做的线圈,缠绕在一个塑料圆柱形上,就像爱好者所使用的大型变压器一类的、用来产生“特斯拉线圈”以发射出大大的、视觉上令人印象深刻的电弧),“测试引线”会发现在空节点没有明显的电压,这将发生在线圈中的某些特定的匝线上。而在不同的线圈匝上,“测试引线”将检测到由电源发射的交流电压有着两倍的电压强度和烈度。

  如果在“峰节点”测量电压,这个电压将做一些可以称为——用白话或外行人的术语——“全速布吉舞”(一种黑人随节拍扭动身体的舞蹈)。交流电压电平将会来回地在 一个非常高而强烈的正电压,到 一个同样强烈的负电压之间移动。这在图.1C中沿导线所示的“泡沫”形状所表示的。

  图.1C所示的“泡沫”可以帮助人了解如何创建驻波,以及它们同步的方式下是如何起作用的。然而,绘图未能显示另一个非常重要的结果,即驻波中实际上发生了什么。出于描述和分析的意图,该系统可以被假定为是“理想的”,这意味着右端导线的每个波都反射有一个完美的“镜像”。“理想的”系统还意味着导线左手端电源的位置没有反射发生,而所有“反射”波活动直接停止于此。实际电路中,这种类型的线,第二个和第三个的顺序反向实际的确存在,并被用于进一步提高强度和这些类型的系统的输出功率;但是,这些额外的因素和“谐波”应被忽略,直到这种类型的系统的基本原理已被掌握和理解后。

  在一个理想的系统里,当“反射波”(图.1所示的导线段中左行)叠加到“发射波”(右行)上时,即刻就达到了“尖峰”正电压,即图.1C所示的每个“泡沫”的最高点,出现在发射波正尖峰与反向运行的反射波镜像正尖峰交错之时。因此,当两个“正尖峰”的值相加时,出现瞬间正峰值电压,在导线中,实际上其烈度是交流电源发送的正峰值电压的两倍。

  片刻后,在那段线的精确的点上,将创建一个负的峰值电压,这是 电源发送的负的峰值电压和 左行通过的反射波的负的峰值电压的总和。此刻,两个负的峰值电压相加,导线中将出现负的瞬间电压,其烈度将是交流电源产生的“负峰”电压的两倍。

  导线中一个更加准确和更具代表性的“驻波”的视觉描绘会实际显示峰值的高度是发射的电压波峰和反射的电压波峰的两倍。不过,这可能会造成混乱,所以通常不会在图中显示“驻波”。

  因此,导线中的瞬时响应,在两个“空节点”的中间位置,正在跳着可以公平和恰当地被称之为“全速双双布吉舞”。“双双”这个短语(请注意不只是一个、而是两个“双”)加在这个句子里有两个原因:

  要强调的事实是每一个电压峰值(最大的正,和最大的负)将是电源发送的正负峰值电压强度和烈度的两倍;而且,
   要指出,图.1C所示的 叠加的“泡沫”频率实际上比由电源发出的AC周期频率快两倍,讨论如下。
“两倍强度”的结果是观察者将会看到的直接对比,.如果在原本挺黑的屋子里把一面大镜子放在一个灯泡后面。镜子有效地保持房间的黑暗,每一处都在镜子后面,所以在房间里没有“神奇倍增”的光线;那将违反能量守恒的基本定律。相反,镜子做的是把光从镜子的背面移开,而保持光能量在镜子的反射面上。任何人站在镜子面前都将看到两个明显的灯泡。两个灯泡(原来的灯泡和反射的图像)将有着同样的亮度(如果镜子是完美的)。因此,镜子使到达观察者的光能量的强度翻倍了。

  如果在电路中,导线一端的作用像一面镜子,就会发生相同的效果。如果一根导线没有任何组件可以使它变成一个主动的“发射源”(这是发射天线和某些其他组件的行为),以一种方式有效地释放生成的电压能量到大气中去,那么基本规则对能量守恒定律的要求将阻止这些能量简单地消失,且不复存在。结果,即使导线末端的设计不是一个完美的反射器,电压波的大部分将确实从线的末端反弹,并通过同一根导线返回,作为“第二次传递”。

  要充分子解产生在导线末端的“波反射”的类型和数量,想一想如果在一个明亮的、所有的墙壁和天花板上都刷有亮光白漆的房间里有一盏灯泡在照射着,会发生什么;然后再想一想如果同样的一个灯泡放在一个所有的墙壁和天花板漆有“亚光黑漆”的房间里,看起来会怎样。光的总量将可用于执行一个例如阅读报纸的任务,在白色的房间里清晰度会大很多,因为光线从白色油漆反射回来——纵使白色油漆甚至远未达到镜子那样的“反射品质或清晰度”。其中的差别是,当在一个亚光黑的房间里的光强与亮光白房间做比较时,并不在于“反射品质或清晰度”的存在与否,而在于受到能量守恒定律的支配。当光线照射到涂有哑光黑的表面时,光能被油漆吸收,而它确实使油漆温度升高了。对比之下,亮光白漆不会吸收光的能量,所以它把光反射回来,通过空气做“第二次传递”,填充房间。

  由于能量守恒定律,而且没有任何基于导线末端的“反射比品质”的特性,当它到达导线末端时,电能不会简单地消失。而是,对于这个能量来说只有两件事可能发生:

   电能可以排入环境,如发射火花、电弧,或射频信号,这些都 将携带能量;或
   如果能量不能通过导线末端发射,那么,通过简约之需和能量守恒的基本定律,它必定反射回导线,并被迫再次通过导线回行。

  如果导线具有一个长而锥形的末端,反射波可能会变得有点扩散,并且可能会损失部分的波的“清晰度”。然而,因为在这里所需的频率波长为几百米,由常规剪钳做出来的尖形在反射波中不会产生任何显著的扩散。而且,不像一个墙壁涂了白漆的房间,线的尖端并没有很大的面积,可以产生分散、蔓延或扩散。结果,当交流电压“泵”入线的一端时,线端将成为一个相对有效的镜式反射器。

  第二个因素上面已经提到过,当提到“双双”布吉短语时,涉及到驻波的频率增加了一倍。当通过发出交流电压波的反射而在导线里产生了一个驻波,毫不夸张地说,是发射波频率的两倍。

  由此可见,从视觉上,注意到显示在图.1A中的发出的交流电压,单一的一个完整的波长包含了一个“正波峰”和一个“负波峰”。因此,三个完整的正弦波,由虚拟的垂直线分成三个部分。

  与此相反的是,图.1C中所示的每个“泡沫”描绘了在驻波中的完整的和总的“波长”。六个这些驻波“泡沫”完全合乎导线的长度,它只持有电源发出的三个波长。

  驻波的“倍频”效应是重要的,因为交流系统可以当交流电压源增加时以一种增长的方式输送和释放能量。在某种程度上说,这类似于说,如果一个电机可以在两倍的速度下运行(同时还产生相同扭矩),那么在在更高的速度下电机的输出量可以两倍大。这个类比并不完全准确,因为使用交流电源的电设备的输出量取决于“曲线面积”函数,这发生在涉及到正弦波时。不过,.在许多类型的电路元件里,作为一般原则,如果电压峰值的频率增加,那么输出功率也将增加。

  在图.1的三个组中,线长是电源电压的波长的三倍。然而,要创建驻波,线长不需要是交流电压波长的任何特定倍数。通过考虑图.1可见,相同类型的“泡沫”将被创建: 如果线长度是波长的准确的两倍;或, 如果线长与波长长度相同。

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  因此,图.2(包括图.2A显示了一个发射波,图.2B显示了一个反射波,图.2C显示了一个叠加的“泡沫”)显示了在一条长度与来自固定频率的交流电压的单个波长相等的线段上发生了什么。一个谐振的驻波将会形成,它有着双倍于输入交流电压频率的频率,这相同的结果将适合于任何有着被推入(或迫入、驱入、泵入等等)导线段的交流电压波长的整倍数(如1×、2×、3×等等)线长的导线。

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  移到还要更短的线上,同样的原理也适用于任何线长等于交流电压波长一半的导线。正如图.3所示(包括图.3A显示了一个发射波,图.3B显示了一个反射波,图.3C显示了一个叠加的“泡沫”),如果线长是波长的一半,依然会形成一个自然的和共振的驻波,而其频率是输入交流电压频率的翻倍。

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  最后,移到更短的线上,同样的原理也适用于任何线长等于交流电压波长四分之一的导线,如图.4A图.4B图.4C所示。即使不横跨或覆盖一个完整的“泡沫”,在图.4C所示的驻波但一个稳定的、自然和共振的“驻波”的频率,这正是交流输入电压频率的两倍电压。尽管这样,它也不会延伸跨过或覆盖整个“泡沫”,图.4C中所示的驻波是一个稳定、自然、和谐振的“驻波”,具有一个精确地两倍于输入交流电压频率的频率。

  有可能创建部分稳定的和半共振的反应,使用八分之一、或十六分之一、或更短的线长,通过使用另外的设备,它能从系统移除电功率,或者它能产生通常被称为“谐波”的效应。然而,这些都不是自然和稳定的反应类型,它可以通过一个简单的、基本的系统创建,其组成无非是: 一根有固定长度的导线和一个“反射”端;以及 一个交流电源,其频率可“谐调”,直到它在任意合适长度的导线段产生一个共振反应。

  因此,由于四分之一波线长是最短的长度,它能创建自然和稳定的驻波,传统术语通常用来形容一根导线产生驻波响应时会发生什么,那是一个“四分之一波”响应。

  在一些设备里,伸缩元件(或其它可以改变线型有效长度的元素)可用于改变元件的能力,来响应一个固定的波长。许多类型的天线使用这种方法——如果它们需要处理传输在固定的和已知的频率的信号。然而,这些例子与螺旋线圈电抗器无关,这将使用一种方法,涉及优化和调整提供给电抗器的电压的频率,直到在固定和未改变长度的线圈里观察到共振响应。

  还应当指出,某些类型的“微调”的元件(如电容器,它即可以是不变的,也可以是电容可调级别的)也可以把电连入到一根导线时,以一种“模拟”的方式使那根导线增加更多的长度。这种方法可以用来改变(或增加范围)频率以使导线回路响应共振。


  因此,如果在L2线圈里我们有共振驻波电压,而那样的一些信号通过导线的传递由线圈的一端接地,将会发生什么?检查它的最好办法是测试原型的行为方式,然而,如果我可以表达意见,我会认为信号下传到地线,会被大地吸收,而这将防止信号被反射回到L2线圈去扰乱其运行。