Силовая электроника для любителей и профессионалов
Силовая Электроника
Теория
Практика
Моделирование
Технологии
Альтернативная энергетика
Разное
Хобби
Не электроникой единой...
FAQ - ответы на вопросы

Энергия из окружающего пространства  >>  Часть 3. Приём наводок сети переменного тока

Часть 3

Приём наводок сети переменного тока

 3.1. Опыты с короткими антеннами.

Измерительное устройство размещено в середине комнаты на деревянной тумбе высотой 1 м, как показано на рисунке 3.1.

 

Рис. 3.1. Расположение измерительного устройства.

Заземление проложено по полу и подведено снизу. Короткие антенны длиной 1,0 м и 1,5 м изготовлены из медной эмалированной проволоки диаметром 2,0 мм.
К антенному входу прикручена проволока длиной 1,0 м. Показания прибора сильно зависят от направления проволоки и лежат в диапазоне от 1 до 15 мВ.
Результаты измерений для вертикального расположения проволоки (зенит), двух горизонтальных, ортогональных направлений (Север-Юг и Восток–Запад), при одновременном подключении антенн всех трёх ориентаций (Сумма) и при включении всех трёх сочетаний двух ортогональных антенн приведены в таблице 3.1. Там же приведены результаты аналогичных измерений для антенны длиной 1,5 м. Антенны длиной 0,5 м дают сигналы, которые не обеспечивают точности измерений.
В таблице Ivo – показание прибора при отжатой кнопке, Ivн – при нажатой, Iao – ток антенны при отжатой кнопке (откорректированная по графику величина входного тока при отжатой кнопке), Iaн – ток антенны при нажатой кнопке (откорректированная величина показания прибора при нажатой кнопке, соответствует Id в предыдущих расчётах).
В нижних строках таблицы приведены формулы, по которым выполнялись расчёты. Почти все показания прибора превышают величину 0,01 мкА, поэтому для корректировки использовались уравнения, описывающие графики, что удобно для расчётов в электронных таблицах Excel.

Таблица 3.1. Результаты измерений для коротких антенн.

Длина,

м

Cg,

пФ

Zg,

МОм

Ориента-

ция

Измеренные токи

Откорректировано

Рассчитанные

Ivo,

мкА

Ivн,

мкА

Iao,

мкА

Iaн,

мкА

ZiA,

МОм

ЭДС,

В

1,0

 

9

353

Зенит

0,0132

0,0116

0,0310

0,0281

593

18,4

9

353

В - З

0,0059

0,0049

0,0227

0,0205

582

13,2

9

353

С - Ю

0,0110

0,0095

0,0285

0,0257

569

16,2

27

117

Сумма

0,0393

0,0302

0,0606

0,0490

261

15,8

18

177

Зенит - ВЗ

0,0232

0,0189

0,0423

0,0363

370

15,7

18

177

Зенит - СЮ

0,0299

0,0249

0,0499

0,0430

385

19,2

18

177

ВЗ - СЮ

0,0223

0,0179

0,0413

0,0351

353

14,6

1,5

 

14

227

Зенит

0,0175

0,0147

0,0359

0,0315

452

16,2

14

227

В - З

0,0112

0,0091

0,0287

0,0252

450

12,9

14

229

С - Ю

0,0190

0,0163

0,0376

0,0333

489

18,4

42

75,8

Сумма

0,0521

0,0350

0,0751

0,0544

162

12,2

28

114

Зенит - ВЗ

0,0387

0,0244

0,0599

0,0425

151

9,0

28

114

Зенит - СЮ

0,0386

0,0295

0,0598

0,0482

257

15,4

28

114

ВЗ - СЮ

0,0320

0,0242

0,0523

0,0422

259

13,6

Zc = 1/(2*¶*f*C)

Iao = 0,016 + 1,135*Ivo

Iaн = 0,015 + 1,125*Ivн

Zc = 1/(2*¶*50*С*10-12)

ZiA = Iaн/[Iao – Iaн)/62] [МОм]

EA = ZiA*Iao

По результатам измерений можно получить представление об ЭДС источников тока, связанных с куском провода, их внутренних сопротивлениях и ёмкости провода относительно земли.
Измерения не могут претендовать на высокую точность, но примерную картину происходящих процессов понять можно. Надеюсь, при более длинных антеннах и токи будут побольше, тогда можно будет говорить и о точности измерений.
Всё это происходит в наших квартирах. И на нас это тоже действует мы тоже проводники электрического тока.

Кстати, немного о себе.
Я, немолодой, но в меру упитанный мужчина, стою под люстрой в зале. Ёмкость моего тела относительно земли равна 50 пФ.
1. Прикасаюсь рукой к антенному входу прибора. Прибор фиксирует протекающий через меня ток Ivo = 0,106 мкА, Ivн = 0,043 мкА.
2. Поднимаю руку к люстре, Ivo = 0,514 мкА, Ivн = 0,210 мкА.
3. Прикасаюсь к металлическому декоративному ободку вокруг плафона, Ivo = 1,73 мкА, Ivн = 0,580 мкА.
4. Сижу за компьютером, ёмкость 83 пФ, Ivo = 0,445 мкА, Ivн = 0,169 мкА.
5  Сижу на рабочем месте, ёмкость 90 пФ, Ivo = 0,428 мкА, Ivн = 0,158 мкА
6. Беру в руки паяльник, Ivo = 1,04 мкА, Ivн = 0,375 мкА
Поместим эти данные в таблицу 3.2 и рассчитаем, что на меня воздействует.

Таблица 3.2. Результаты измерений воздействия электрических полей на человека.

Положение

Cg,

пФ

Zg,

МОм

Измеренные токи

Откорректировано

Рассчитанные

Ivo, мкА

Ivн, мкА

Iao, мкА

Iaн, мкА

ZiA,МОм

ЭДС, В

1

50

64

0,106

0,043

0,1363

0,0634

54

7,3

2

50

64

0,514

0,210

0,5994

0,2513

45

26,8

3

50

64

1,73

0,580

1,9796

0,6675

32

62,4

4

83

38

0,445

0,169

0,5211

0,2051

40

21,0

5

90

35

0,428

0,158

0,5018

0,1928

39

19,4

6

90

35

1,04

0,375

1,1964

0,4369

36

42,7

Iao = 0,016 + 1,135*Ivo

Iaн = 0,015 + 1,125*Ivn

 

ZiA = Iaн/[Iao – Iaн)/62] [МОм]

EA = ZiA*Iao

 Вот, так я и живу – всё время под напряжением.

3.2. Опыты с длинными антеннами

Измерительное устройство размещено на рабочем месте, антенну предполагается прокладывать «по пересечённой местности» - через соседний стол с компьютером, затем в соседнюю комнату (зал). Если на рабочем месте и у компьютера наводки, как мы видели, велики, то в зале они гораздо ниже.
В первом опыте мы определим зависимость параметров антенны от её длины. Результаты измерений и вычислений отразим в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Зависимость параметров антенны от её длины.

Длина,

м

Cg,

пФ

Zg,

МОм

Измеренные токи

Откорректировано

Рассчитанные

Ivo, мкА

Ivн, мкА

Iao, мкА

Iaн, мкА

ZiA,МОм

EA, В

1

23

138

0,218

0,188

0,2634

0,2265

380

100,2

2

37

86

0,423

0,313

0,4961

0,3671

176

87,6

3

49

65

0,406

0,280

0,4768

0,3300

139

66,5

4

58

55

0,376

0,237

0,4428

0,2816

108

48,0

5

69

46

0,391

0,212

0,4598

0,2535

76

35,0

6

79

40

0,396

0,202

0,4655

0,2423

67

31,3

7

89

36

0,402

0,190

0,4723

0,2288

58

27,5

8

101

32

0,421

0,170

0,4938

0,2063

44

22,0

Iao = 0,016 + 1,135*Ivo

Iaн = 0,015 + 1,125*Ivn

 

ZiA = Iaн/[Iao – Iaн)/62] [МОм]

EA = ZiA*Iao

 Из таблицы следует, что внутреннее сопротивление ZiA источника сигнала, связанного с антенной, падает с увеличением длины антенны, ЭДС EA тоже падает. Рассчитанный ток Iao на входе устройства сначала довольно резко возрастает, затем немного падает, когда проходит «мёртвую зону» - пространство мимо двери в соседнюю комнату, затем опять немного возрастает. В результате, при длине антенны 8 м входной ток немного меньше, чем при длине 2 м. В то же время у двухметрового отрезка антенны, кроме меньшего количества провода, есть преимущество в том плане, что она может зарядить конденсатор до напряжения 87,6 В, в то время как антенна длиной 8 м – только до 22 В. С этим явлением мы с приятелем столкнулись, когда проводили эксперименты у него в селе. Теперь имеем этому документальное подтверждение.
Основной вывод из этого эксперимента гласит:
Существует оптимальная длина антенны, которая обеспечивает максимальный ток заряда накопительного конденсатора, и почти до максимально возможного напряжения. В нашем случае – длина антенны около 2 м.

3.3. Параллельное включение антенн

Во втором опыте исследуем взаимовлияние нескольких антенн, расположенных параллельно. Будем располагать антенны рядом, на различных расстояниях. В таблицу 3.4 будем заносить показания прибора при подключении одной антенны, двух антенн и когда одна антенна заземлена, при различных расстояниях между антеннами. Затем проведём измерения для трёх и четырёх антенн по отдельности и при подключении всех одновременно. Все антенны имеют длину 2,1 м и диаметр провода 1,5 мм.

 Таблица 3.4. Параметры двух, трёх и четырёх параллельно включённых антенн.

Расстояние,

м

 

 

Cg,

пФ

Zg,

МОм

Измеренные токи

Откорректировано

Рассчитанные

Ivo, мкА

Ivн, мкА

Iao, мкА

Iaн, мкА

ZiA,МОм

EA, В

0,05

1

30

106

0,320

0,240

0,3792

0,2850

188

45,0

2

35

91

0,346

0,257

0,4087

0,3041

180

46,3

1+2

57

56

0,502

0,324

0,5858

0,3795

114

37,0

1(2з)

31

103

0,236

0,171

0,2839

0,2074

168

28,7

0,1

1

30

106

0,351

0,260

0,4144

0,3075

178

46,4

2

35

91

0,382

0,283

0,4496

0,3334

178

50,3

1+2

57

56

0,603

0,370

0,7004

0,4313

99

36,8

1(2з)

31

103

0,272

0,197

0,3247

0,2366

167

32,8

0,2

1

30

106

0,315

0,235

0,3735

0,2794

184

43,2

2

36

88

0,402

0,290

0,4723

0,3413

161

46,8

1+2

57

56

0,610

0,364

0,7084

0,4245

93

33,8

1(2з)

30

106

0,254

0,187

0,3043

0,2254

177

33,1

0,3

1

30

106

0,334

0,251

0,3951

0,2974

189

47,4

2

36

88

0,455

0,323

0,5324

0,3784

152

49,2

1+2

57

56

0,691

0,396

0,8003

0,4605

84

33,3

1(2з)

30

106

0,281

0,204

0,3349

0,2445

168

34,2

0,5

1

30

106

0,350

0,258

0,4133

0,3053

175

45,2

2

36

88

0,403

0,306

0,4734

0,3593

195

59,7

1+2

57

56

0,680

0,397

0,7878

0,4616

88

34,8

1(2з)

30

106

0,300

0,221

0,3565

0,2636

176

38,9

2(1з)

36

88

0,373

0,282

0,4394

0,3323

192

54,2

0,25

1

30

106

0,332

0,248

0,3928

0,2940

184

45,7

2

36

88

0,438

0,309

0,5131

0,3626

149

46,2

3

36

88

0,422

0,318

0,4950

0,3728

189

60,1

1-3

94

34

0,972

0,448

1,1192

0,5190

54

24,0

0,125

1

30

106

0,347

0,262

0,4098

0,3098

192

50,3

2

36

88

0,414

0,300

0,4859

0,3525

164

49,2

3

36

88

0,441

0,312

0,5165

0,3660

151

47,0

4

94

34

0,417

0,317

0,4893

0,3716

196

62,1

1-4

126

25

1,155

0,491

1,3269

0,5674

46

22,7

Iao = 0,016 + 1,135*Ivo

Iaн = 0,015 + 1,125*Ivn

 

ZiA = Iaн/[Iao – Iaн)/62] [МОм]

EA = ZiA*Iao

По результатам измерений и расчётов можно сделать следующие выводы:

1. Заземление одной из рядом расположенных антенн уменьшает ток Iao, поступающий из соседней антенны, тем больше чем меньше расстояние между ними.
2. Суммарный ток Iao из нескольких антенн всегда больше тока из одной антенны, причём при увеличении расстояния между антеннами он стремится к сумме токов из всех антенн.
Так, при расстоянии 0,05 м суммарный ток составляет 74 % от суммы токов, при расстоянии 0, 1 м – 81 %, при расстоянии 0,2 м – 84 % и далее: 0,3м – 86 %, 0,5 м – 89 %. То есть, при расстоянии более 0,1 м выигрыш в суммарном токе растёт медленнее, чем расстояние между проводниками. Это позволяет нам, для увеличения тока Iao, вместо одной антенны использовать несколько, расположенных параллельно, с относительно небольшим шагом. Так, если максимальный ток Iao с одной антенны у нас не превышает величину 0,52 мкА, то с трёх антенн, расположенных с шагом 25 см, он возрос до 1,12 мкА, а с четырёх антенн с шагом 12,5 см, - до1,33 мкА.
Итак, можем констатировать первый реальный результат: найден первый способ повышения мощности в приёмном устройстве.

3.4. Зависимость параметров антенны от диаметра провода

В третьем опыте определим зависимость параметров антенны от диаметра провода.
Вообще, в литературе по электробезопасности есть все формулы для расчёта всего, что мы тут делаем. Но мы не знаем точно ни одного параметра для этих формул, кроме диаметра и длины провода. Это тот случай, когда проще определить экспериментально, чем моделировать ситуацию.
Но для того, чтобы понимать, куда двигаться, формулы знать полезно. По теории из учебников по электробезопасности, на наши антенны наводится напряжение от сетевых проводов через ёмкость Cас между сетевым проводом и антенной. Но антенна имеет ёмкость Cаз относительно земли. Эти две ёмкости выступают как делитель напряжения. И внутреннее сопротивление источника тоже определяется сопротивлениём ёмкости Cас на частоте 50 Гц. Ёмкость Cg, которую мы измеряем прибором, на самом деле равна сумме ёмкостей Cас и Cаз, поскольку сопротивление между сетевым проводом и землёй в хороших сетях стремится к нулю:

Cg = Cас + Cаз.

Поэтому предложенная здесь методика измерений ЭДС EA и внутреннего сопротивления ZiA источника напряжения, связанного с антенной, является чисто оценочной и на точность претендовать не может. Единственное, что может претендовать на точность – формулы для калибровки прибора, определённые в эксперименте. Но, поскольку вход нашего прибора – это вход предложенного ранее устройства утилизации энергии, для практических целей этого достаточно.
Формула для расчёта ёмкости провода относительно земли имеет вид:

Cаз = 2*π*ε*ε0*l / ln(2*h/r) [Ф],

а для ёмкости двух параллельных проводников:

Cас = π*ε*ε0*l / ln(h/r) [Ф].

То есть, обе ёмкости при уменьшении радиуса проводника уменьшаются. Это значит, что наведённое напряжение тоже должно уменьшаться, но зато взаимное влияние антенн при их параллельном расположении тоже будет меньше.
Проверим экспериментально, в какой степени это происходит с реальными проводами. Возьмём четыре антенны длиной 2,1 м и поочерёдно измерим их параметры. Результаты измерений будем заносить в таблицу 3.5. Попутно, в последней строке таблицы, снимем показания с листа железа размерами 0,65 х 0,85 м2.

 Таблица 3.5. Зависимость параметров антенны от диаметра провода.

Диаметр,

мм

Cg,

пФ

Zg,

МОм

Измеренные токи

Откорректировано

Рассчитанные

Ivo, мкА

Ivн, мкА

Iao, мкА

Iaн, мкА

ZiA,МОм

EA, В

0,15

23

138

0,153

0,130

0,1897

0,1613

352

45,8

0,4

25

127

0,178

0,146

0,2180

0,1793

287

41,8

0,8

27

118

0,190

0,152

0,2317

0,1860

253

38,4

1,5

30

106

0,205

0,162

0,2487

0,1973

238

38,5

0,65 х 0,85

277

11

2,24

0,57

2,5584

0,6563

21

12,2

Iao = 0,016 + 1,135*Ivo

Iaн = 0,015 + 1,125*Ivn

 

ZiA = Iaн/[Iao – Iaн)/62] [МОм]

EA = ZiA*Iao

 В результате видим, что ток в антенне Iao, действительно, снижается, но не столь катастрофично. При диаметре провода 0,15 мм он составляет 76 % от тока антенны с проводом 1,5 мм. То есть, при уменьшении диаметра провода в десять раз ток Iao уменьшился всего в 1,3 раза. А количество меди в проводе, соответственно, в 100 раз. При диаметре провода 0,4 мм – 88 %, а при диаметре 0,8 мм – 93 %.
Ну и параметры сигнала с листа железа 0,65 х 0,85 м2 показывают, что ток хорошо возрастает, но и напряжение, до которого может зарядиться накопительный конденсатор, падает. Контрольное измерение амплитуды сигнала с листа железа щупом осциллографа с входным сопротивлением 10 Мом показало амплитуду сигнала 30 В, что соответствует действующему напряжению 21 В. Рассчитанное напряжение равно 12,2 В. Видим, что оно явно занижено но порядок тот же.
В литературе по электрическим сетям приводится расчёт тока, наведённого на провод, который проходит рядом с линией на протяжении 1 км. Этот ток равен 80 мА.
Итак, можно сделать вывод, что от приёма наводок сети переменного тока нельзя ожидать больших мощностей, разве только для мигания светодиода. Для серьёзной мощности надо искать другие источники. Не техногенного характера, а природные.

 

 <<  Назад    Продолжение >>

 

 

 

Силовая Электроника  |  Теория  |  Практика  |  Моделирование  |  Технологии  |  Альтернативная энергетика  |   Энергия из окружающего пространства  |  Разное  |  Хобби  |  Не электроникой единой...  |  FAQ - ответы на вопросы