ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. Для проверки возможности возбуждения электрических колебаний в колебательной системе одним периодическим изменением ее параметров без введения в нее

Для проверки возможности возбуждения электрических колебаний в колебательной системе одним периодическим изменением ее параметров без введения в нее каких-либо э. д. с, нами прежде всего был поставлен следующий опыт. Как мы видели выше, такое возбуждение можно ожидать лишь при выполнении условия:

, (*)

Гдеm означает относительную величину изменения параметра (так называемую глубину модуляции его), аe есть средний логарифмический декремент системы. Поэтому необходимо было осуществить, с одной стороны, достаточно эффективный способ изменения параметра и, с другой стороны, систему с возможно меньшимe. Так как, далее, максимальная мощность параметрически возбужденных колебаний равняется

,

то для получения сколько-нибудь заметной мощности при легко осуществимых частотах изменения параметра необходимо иметь в цепи емкость С значительной величины, способную выдержать большие напряжения. Ввиду сравнительной сложности осуществления в лабораторных условиях переменной емкости требуемой величины, допускающей достаточную глубину модуляции при необходимых больших частотах, мы отказались для начала от изменения емкости и выбрали в качестве периодически изменяемого параметра самоиндукцию. Из различных возможностей осуществления периодического изменения самоиндукции мы, по ряду соображений, остановились сначала на следующей. Если ввести в переменное поле катушки (самоиндукции L какое-нибудь проводящее тело (в простейшем случае – короткозамкнутый виток), то, как известно, вследствие наведенных в теле токов Фуко, магнитная энергия поля, а следовательно и эффективная L – уменьшится. Исходя из этого, мы применили в качестве устройства, позволяющего удобно и с требуемой частотой периодически изменять эффективную величину самоиндукции следующее (рис. 6, 7 и 8). Здесь переменная самоиндукция состоит из двух групп плоских катушек (по 7 в каждой) (рис. 6), смонтированных на двух параллельных дисках по периферии двух параллельных окружностей так, что между обращенными друг к другу сторонами катушек было узкое пространство в виде щели. В этой щели помещался металлический вращающийся диск, имеющий на периферии вырезы в виде зубцов (7 по числу катушек) (рис. 7), расположенных таким образом, что при вращении середины зубцов в определенные моменты совпадают с центрами катушек. Таким образом, периодическое изменение самоиндукции здесь достигается тем, что при вращении диска зубцы попеременно то входят в поле катушек, то выходят из него. В первом случае эффективная самоиндукция очевидно будет минимальной а во втором – максимальной. Так как такой диск (например, из дюралюминия) допускает очень большие скорости вращения (в наших опытах периферийная скорость достигала до 220 м/сек.), то, следовательно, при указанном способе изменения самоиндукции можно было осуществить большие частоты (1700–2000 в сек.) изменения параметра и получить колебания достаточной мощности. Заметим, что для увеличения самоиндукции, а также для большей концентрации поля в пространстве между катушками они была снабжены сердечниками из подразделенного железа.

Рис. 6.

Рис. 7.

В первых наших опытах возбуждения колебания в системе с периодически изменяемой таким образом самоиндукцией в начале 1931 г. мы воспользовались принципом регенерации с помощью электронной лампы для выполнения условия возбуждения, так как первая изготовленная система катушек обладала слишком большим сопротивлением, и логарифмический декремент системы e был значительно более 0,12, тогда как измеренная (из определения собственной частоты системы при двух экстремальных положениях диска (зубцы в поле, катушек и зубцы вне поля) глубина модуляции самоиндукции была только 0,07, т. е. m было меньше . Для того чтобы в начальном состоянии в колебательном контуре отсутствовали какие-либо явные токи и напряжения была выбрана схема регенерации с параллельным питанием, изображенная на рис. 9.

Рис. 8.

Здесь обратная связь осуществляется через емкость С₀, изменяя которую, можно плавно регулировать величину связи. Приводим данные схемы. Колебательный контур состоял из описанной выше механически изменяемой самоиндукции L ₁ и дополнительной самоиндукции L ₂=0,1 генри и вариометра типа Гартман и Браун, допускающего вариацию от 11,3 до 16,5^-2 H. служившего для грубой подстройки. Емкость контура состояла из постоянной части С ₁ в 70 000?oм? и параллельно к ней приключенного конденсатора пере­менной емкости С ₂ (макс, емкость 11200?ом?) для тонкой настройки. Общее омическое сопротивление контура, не считая потерь, вносимых диском, было порядка 90 Ом. Расстояние между катушками (ширина щели) равнялась 5 мм, а толщина дюралюминиевого диска — 3 мм. Электронная лампа была типа Микро.
Анодное напряжение 240 V. Диск был насажен на ось, которая приводилась во вращение мотором с редуктором (1: 10) типа машин высокой частоты В. П. Вологдина. При числе оборотов мотора 1400—1500 об/мин (число оборотов диска в 10 раз больше) мы получали с диском с 7 зубцами изменения самоиндукции n от 1630 до 1750 в сек.¹ Опыт производился следующим образом. Сначала при неподвижном диске (или при вращении с не соответствующей условиям возбуждения скоростью) режим лампы подбирался таким образом, чтобы при достаточной обратной связи (регулируемой при помощи C₀) и подстройке системы на половинную частоту изменения параметра получалось, по возможности, мягкое самовозбуждение автоколебаний, и затем связь уменьшалась насколько, чтобы во всей области настройки автоколебания не возникали. После этого диск приводился в движение. При достижении им полного числа оборотов в системе возникали колебания, частота которых была ровно в два раза меньше частоты изменения самоиндукции.

Рис. 9. Схема параметрического возбуждения в сис­теме с регенерацией.

При плавном изменении емкости контура (т. е. собственной частоты системы) частота колебаний оставалась неизменной до определенной расстройки, после которой колебания прекращались. Что здесь действительно имело место гетеропараметрическое возбуждение колебаний, а не возбуждение колебаний половинной частоты в регенеративной системе под действием переменных импульсов токов, наведенных каким-либо полем (например магнитным полем земли) в зубцах при вращении диска и создающих э. д. с. частоты изменения параметра (случай резонанса 2-го рода) явствует из следующего. Если, например, максимальный ток в контуре при самовозбуждении равнялся всего 9 mA при постоянной компоненте анодного тока i _a, равной 1,4 mА, то при гетеропараметрическом возбуждении он достигал 40mA, при i _a = 1,8mА. Отсюда ясно, что мощность поставлялась в контур не батареей, питающей лампу, как в случае автопараметрического возбуждения, а диском, за счет изменения параметра.

Рис. 10. Кривая гетеропараметрического возбуж­дения в системе с регенерацией (эксперименталь­ная).

На рис. 10 приведена кривая зависимости амплитуды колебаний, возникающих при изменении параметра, от расстройки колебательной системы. Так как при этом С_a = 44°, а автоколебания наступали лишь в интервале от С_a = 77° до С_a= 93°, то во всей области параметрического возбуждения самовозбуждения не было: при остановке мотора или изменении скорости вращения диска за пределы, при которых имело место параметрическое возбуждение, колебания в контуре прекращались. На всем протяжении кривой параметрического резонанса частота колебание оставалась постоянной и точно равной половине частоты ( n ) изменения параметра (7 умноженное на число оборотов диска в cек.). Измерения производились на слух с помощью частотомера Сименс и Гальске. Кроме диска из дюралюминия нами были произведены опыты и с диском из железа той же формы, но толщиной в 2 мм. Несмотря на то, что с целью усиления концентрации поля катушки статора были сближены на расстояние до 4 мм, эффект параметрачеокого возбуждения не наблюдался. Контрольное измерение глубины модуляции самоиндукции показало, что, как и можно было ожидать, железный диск, действуя как железо в сторону увеличения L, с одной стороны, и как металл в сторону уменьшения, с другой, вызывает значительно меньшее изменение самоиндукции, внося одновременно большие потери в систему.

Рис. 11. Схема параметрического возбуждения в системе без регенерации.

После того как был установлен эффект гетеропараметрического возбуждения в регенеративной системе, мы приступили к опытам с системой без регенерации. Для этой цели были изменены катушки статора, удлинен сердечник из трансформаторного железа (диам. – 2,2 см, длина – 6,5 см) и увеличен диаметр проволоки (0,9 мм) обмотки катушек. Благодаря этим мерам удалось, с одной стороны, увеличить концентрацию поля катушек и тем самым увеличить глубину модуляции самоиндукции (до 14,5%), с другой стороны, весьма значительно уменьшить омические потери в контуре (сопротивление катушек статора уменьшилось с 84.5 ом до 21 ома. Так как при этом e ~ 0,14, то таким образом условие (*) оказывалось удовлетворенным и можно было ожидать, что удастся получить параметрическое возбуждение колебаний в этой системе и без регенерации. В самом деле, при подстройке колебательной системы (собранной по схеме рис. 11, в которой отсутствуют какие-либо явные источники тока или напряжения) с помощью конденсатора С ₂ на частоту, равную или близкую к половинной частоте изменения самоиндукции системы, в ней возникали мощные колебания с частотой, точно равной половице частоты изменения самоиндукции. Амплитуда колебаний при этом быстро возрастала до тех пор, пока не наступал пробой изоляции либо конденсаторов контура, либо подводящих проводов. В наших опытах напряжение достигало 12—15 тыc V. Для того чтобы получить стационарный режим необходимо было — в согласии с теорией — ввести в систему проводник с нелинейной характеристикой. В качестве такого проводника при первых опытах была взята группа лампочек накаливания (100-ваттных), которые можно было включать параллельно в колебательный контур (рис. 11). Сообщаем данные схемы. Ёмкость контура состояла из 17—20 последовательно соединенных конденсаторов в 2mF каждый, параллельно которым был приключен масляный конденсатор переменной емкости C ₂ (11 000 om), соединенный последовательно с постоянной емкостью в 3000 om. Максимальная и минимальная величины самоиндукции катушек статора были

L _max = 0,229 H L _min = 0,193 H

Упомянутый выше ламповый реостат служил в качестве нагрузки, а для более плавной регулировки вводимого в систему сопротивления был взят реостат R. Грубая настройка производилась изменением числа последовательно включенных конденсаторов, а более тонкая – при помощи масляногоконденсатора. Следует заметить, что ввиду большого непостоянства напряжения сети, от которой питался мотор, число оборотов диска значительно менялось, и требовалась частая перестройка, так как переменный конденсатор позволял изменять частоту контура лишь в небольших пределах. Это обстоятельство сильно осложняло эксперименты и не дало возможности произвести все измерения в этой схеме.

Из проделанных опытов упомянем следующие. Прежде всего следует указать на то, что введение лампочек накаливания действительно позволяет получить и регулировать в широких пределах (до 5 А, так как мощность мотора и сечение провода катушек не допускали большей нагрузки) стационарную амплитуду колебаний. Однако тепловая инерция нитей накаливания обусловливает иногда своеобразное явление "раскачивания" амплитуды которое заключается в том, что амплитуда возрастает не постепенно, а волнообразно: лампы горят то сильнее, то слабее. Это явление, связанное часто с сильными перенапряжениями, иногда продолжается несколько минут. Соответствующим выбором режима системы можно от него в значительной мере избавиться. Заметим также, что в последующих опытах, произведенных в настоящем году, которые подробно описаны в помещаемой ниже статье В. А. Лазарева, нами был применен более удобный и технически более совершенный способ регулировки величины стационарной амплитуды, основанный на использовании нелинейного соотношения между магнитным потоком и током в особом дросселе, вводимом в цепь колебательного контура.

Приводим некоторые результаты измерений, проделанных с лампами накаливания в качестве нагрузки. Зависимость напряжения на конденсаторе от величины вводимого в систему сопротивления представлена на рис. 12. Как видно из него, напряжение плавно уменьшается с увеличением нагрузки. При введенном сопротивлении в 28 ом колебания обрываются. Если исходить из этого значения, как предельного, и учесть все другие потери в системе, а именно: сопротивление обмотки катушек, потери в дюралюминиевом диске, в железе, диэлектрические потери в конденсаторах, то общий логарифмический декремент e собственных колебаний системы получается около 0,20. Так как измеренная в данных условиях глубина моду­ляции самоиндукции оказалась равной 0,14, то соотношение , являющееся условием возбуждения, при этом еще как paз выполняется.

Дальнейшие более детальные опыты производились с другой опытной установкой, в которой для увеличения глубины модуляции (до 40%), а также мощности (до 4kV) была изменена система катушек статора. Катушки эти были намотаны из более толстой проволоки на почти замкнутых сердечниках из подразделенного железа. Проведенные с этой установкой опыты, подтвердившие как с качественной, так и с количественной стороны выводы теории, подробно описаны в помещенной ниже статье В. А. Лазарева. Отметим только, что кроме диска из дюралюминия в этой установке применялся также и диск из меди, давший приблизительно те же результаты. Об опытах с возбуждением электрических колебаний при помощи периодического изменения емкости колебательной системы, также находящихся в согласии с теорией, вами уже было сообщено в этом журнале. В заключение считаем необходимым выразить нашу искреннюю благодарность И.М. Ворушко и В.А. Лазареву, принимавших существенное участие в проведении описанных опытов.

Ленинград – Москва Поступило в редакцию ЛЭФИ НИИФ 1 МГУ 22 августа 1938 г.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: