对磁场能量收集器的一点探索
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对磁场能量收集器的一点探索

2021-10-25 04:06:26 投稿作者: 点击:

摘要:为探索磁场能量收集器的制作原理,本人查阅了有关资料、并以大学物理中的电磁谐振的原理进行了理论分析。以串联谐振的作用方法对磁场能量收集器的作用原理进行了推敲,并有待于实践的验证。

关键词:磁场能量;串联谐振;收集器;分析和应用

【中图分类号】G640

古代有一个传说,女娲补天还有普罗米修斯盗火的故事。在现代世界上,在地球上存在着许多杂散的大量的电磁场和辐射,我们知道电磁波在传播过程中磁场和电场相互转换不断前进的传播。尤其是交流电在地球上很普及,导致磁场散布在全球各地,且人体长期处在杂散磁场作用下可能有害无利。如何把杂散磁场收集起来,使其转化为电场的能量,并可以用其电场的能量为我们工作生活所用,也改善了环境的电磁辐射,是一举两得的事情。

磁场能量收集器就是收集地球表面的杂散磁场,进行汇集接收并进行能量利用,特别是交流电的强大普遍的杂散磁场,具有很大的潜力。

制作成功的话,能够对在地球上传播的杂散磁场进行接收汇集,特别是交流电的强大的杂散磁场。具有很大的潜力。使其磁场能量转变为电能,可用于人们日常生活和工作,既节约能源又环保,应该对社会和人民带来很好的福利和方便,有利于人们的野外作业和生活,在节能环保军事上也有积极的意义。

一、谐振电路

我们知道在具有电阻R、电感L和电容C元件的交流电路中,电路两端的电压与其中电流位相一般是不同的。如果我们调节电路元件(L或C)的参数或电源频率,可以使它们位相相同,整个电路呈现为纯电阻性。电路达到这种状态称之为谐振。在谐振状态下,电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。研究谐振的目的就是要认识这种客观现象,并在科学和应用技术上充分利用谐振的特征,同时又要预防它所产生的危害。按电路联接的不同,有串联谐振和并联谐振两种。下面我们先来分析串联谐振电路的工作原理:

图1

串联谐振(参考电工电子技术)

RLC串联电路发生的谐振称为串联谐振,如上面电路图1所示,电路发生谐振时有 或

串联谐振具有以下特点:

1、电路谐振时的感抗和容抗在数值上相等,用ρ表示,有

可见,ρ的大小取决于电路元件的参数,称为特性阻抗,单位是欧姆( )。在电子技术中,通常用谐振电路的特性阻抗与电路电阻的比值来表征谐振电路的性能,此比值用字母Q表示,称为谐振电路的品质因数,即

Q也是一个仅与电路参数有关的常数,品质因数Q越大,电路的选择性越好。

2、RLC串联电路发生串联谐振时,如图1所示该电路的复阻抗为

显然,欲使用端口电压 与电流 同相,即电路达到谐振,必须满足

XL=XC或

满足上式的角频率称为电路的谐振角频率,并用ω0表示,(ω0=2πf0)。

因为XL=XC,所以电路的复阻抗Z=R+jX=R为最小值且等于电路中的电阻R。在电压一定的情况下,谐振时的电流(称为谐振电流)达最大值,谐振电路用I0表示为

3、谐振时,由于UL=UC,且在相位上相反,从而互相抵消,因此电源电压 。此时电感、电容元器件上的电压为

即 = = =

由此可见,电感、电容上的电压有效值为电源电压有效值的Q倍。由于Q值一般在几十到几百之间,所以串联谐振时,电感和电容元件的端电压往往高出电源电压许多倍,因此,串联谐振又称为电压谐振,在电力系统中,若电路发生串联谐振,由于电源电压本身较高,所产生的高电压可能会损坏电器设备的绝缘,因此必须加以防止。

二、 磁场的能量(参考工程电磁场与电磁波)

根据麦克斯韦的电磁理论,交变电场的传播过程中,电场和磁场是同时存在的,在没有损耗的情况下,电场的能量全部转化成了磁场的能量,同样磁场的能量也可以全部转化成电场的能量,这也就是变压器的电磁感应能量转化工作原理。

下面通过载流回路建立过程中外源做功计算磁场能量:先考虑一个电感为L的导线回路中的电流i从0增加到I的过程中外源做功情况。设在电流增加过程中的某个时刻t,导线回路的电流i。如果在从t到t+dt时间内使电流增加di,导线回路的磁链就增加dΨ=Ldi。由于回路磁链的变化,回路产生感应电动势为 = 。感应电动势试图阻碍电流增加,因此要使回路在dt时间内的电流增加di,必须在回路中施加电压 ,以抵消感应电动势,反抗电流增加。那么在dt时间内外源就要对导线回路做功

假使电流i从0增加到I的过程中,外源对电路做功为

由于在做功过程中没有其他能量损耗,外源所做功全部转化为磁场能量,所以电感为L,电流为I的导线回路的磁场能量为

由于Ψ=Li,则单导线回路的磁场能量也可以用回路的磁链与电流表示,即

由此可知,磁场与电场一样也具有能量。任何形式的电流分布都要经过从没有电流到某个最终电流分布的建立过程。在载流回路中的电流与其磁场的建立过程中,外源做功。根据能量守恒定律,外源所做的功装换为电流回路的磁场能量。

三、收音机的接收原理

在物理学里,有一个概念叫共振:当策动力的频率和系统的固有频率相等时,系统受迫振动的振幅最大,这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思:当电路的激励的频率等于电路的固有频率时,电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上,共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。

知道了串联谐振的原理和电磁场转化及磁场能量的计算方法;我们再来看一下收音机的天线接收回路的工作原理:首先是天空中存在无数个频率的无线电传播信号——交变的电磁场信号;磁场能量通过天线线圈中的磁棒汇聚起来,通过此变化的磁场在天线线圈上感应出电信号,并通过输入回路的RLC元件组成串联谐振,再经过调整、调节电容器C,使电路在某一频率上发生串联谐振(电压谐振)、信号最强;这样就可以调出了该频率的电台信号。因为,谐振时 UL-UC=0此时U=UR信号电压都加在电阻上,同时因为这个电路的Q值做得比较高,根据串联谐振公式

UL就是电感上的谐振电压,也就是电阻上的电压UR的Q倍,(Q值一般在几十到几百之间)这样就把接收到的微弱的信号提高到谐振时的较高的电压信号,这就是串联谐振(电压谐振)的原理和应用。

四、磁场能量收集器

同理,参照收音机天线接收回路的谐振原理,在使用50Hz的交流电也有谐振现象,有时要避免谐振的危害,而我们现在要变害为利。交流电在高电压的输电过程中(或使用过程中),都有强大的磁场和电场的产生,这一般都是对人体有害的,我们根据收音机的接收输入回路中的串联谐振(电压谐振)的工作原理,把这种磁场利用变压器的(一字形)铁芯汇聚,并把变压器线圈组成RLC串联谐振(f=50HZ),就可以得到比UR大Q倍的电磁感应信号,这样的信号可作为独立的(移动的、无源的)电源来使用,同时可以参考上面( )、( )的公式,计算出电源的磁场能量;当然接收到的能量可以很小,但是可以通过使用低能耗的LED等发光元件照明,做成类似于夜光仪的产品,可用于野外作业照明、交通道路指示,在军事上更有用;甚至还可以用于商场、家庭的独立的无连接线的底度照明。当然照明强度的大小和电压高低与线路工艺结构的Q值大小有关,应用电磁感应原理还可以通过变压器的变压比,做成互感式和自耦式的变压器输出功率。这就是磁场能量收集器的基本工作原理及其应用。我想可以参照此原理为基础,进行创新试验;同时,笔者想通过探索分析此观点、以起到抛砖引玉的作用,不妥之处还望大家批评指正。

参考文献

[1]姜宇;工程电磁场与电磁波.华中科技大学出版社,2009.1,ISBN978-7-5609-4651-1

[2]张惠敏;电工电子技术北京.人民邮电出版社,2006.10,ISBN978-7-115-14722-6

[3]巫彤宁;电磁场与人体健康.人民邮电出版社,2010.7,ISBN978-7-115-22359-3

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