От планарного конденсатора - к ортогональному

phil311 · 13.04.2008, 20:16

Данная тема является логическим продолжением тем "Емкость планарного конденсатора" и "Парадокс открытого LC-контура". Там уже понаписано 16+14 страниц, поступили жалобы, что просматривать стало неудобно.... Вот и решил создать новую тему. Сегодня удалось наконец-таки промерять несколько моделей конденсаторов - планарный 15х20 см (две пластины), планарный из двух проволочных рамок тех же размеров, ортогональный из таких же пластин, расположенных по взаимно перпендикулярных плоскостях, и наконец две проволоки длиной по 20 см расположенные на расстоянии 5 мм друг от друга, как и в первом планарном кондесаторе зазор между пластинами тоже 5 мм. Более подробное описание и результаты измерений - чуть позже.

phil311 · 13.04.2008, 22:31

Итак. Катушка была намотана на отрезке полиэтиленовой трубы наружным диаметром 32 мм, длина намотки 21 мм, число витков 30 (виток к витку). От третьего витка был сделан отвод. По расчету индуктивность получилась 26,8 мкГн. Затем она была измерена резонансным методом, дважды, с двумя образцовыми конденсаторами, 470 пФ +-2% и 680 пФ+-5% . Индуктивности по измерению (по формуле Томсона) получились 24,6 мкГн и 24,3 мкГн. Частоты резонансов 1480 кГц и 1237 кГц соответственно. В итоге было принято, что реальная индуктивность составляет 24,3 кГц, с учетом того, что на более низкой частоте влияние паразитных параметров минимально. Был также измерен собственный резонанс катушки (за счет межвитковой емкости),частота резонанса 21,4 МГц, межвитковая емкость 2,3 пФ.
Исследуемые емкости были такие. 1) планарный конденсатор из двух дюралевых пластин 150х200 мм,
толщина 1,4 мм, зазор 5 мм вдоль длинной (200 мм)
стороны. 2) аналог планарного конденсатора из медной проволоки диам. 1,4 мм, размеры рамок 150х200 мм, зазор 5 мм аналогично первому случаю. 3) ортогональный конденсатор из точно таких же дюралевых пластин, закрепленных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях на расстоянии 5 мм между торцами, на бруске из сухой сосны сечением 24х18 мм. Как это выглядело конструктивно, проще понять, глядя на фото, которые будут выложены ниже. 4) конденсатор из двух параллельных таких же медных проволок длиной 200 мм плюс отводы по 8 см. Такие же отводы были и в случаях 1-3.

phil311 · 13.04.2008, 22:44

На фото - 1-й планарный конденсатор из пластин, измерения производились не в положении "лежа на столе", как на фото, а в подвешенном (на капроновом шнуре) состоянии, как это будет позже видно на фотографии подвешенного "ортогонального" конденсатора.

-- Прилагается рисунок: --

phil311 · 13.04.2008, 22:46

На следующем фото - две рамки размером 150х200 мм, зазор между ними первоначально составлял 5 мм по всей длине, к моменту фотографирования верхние углы рамок сместились до соприкосновения, как видно на фото. Но первоначально (в процессе измерения) было не так. Рамки скреплены с помощью двух деревянных палочек и изоленты.

-- Прилагается рисунок: --

phil311 · 13.04.2008, 22:49

Ортогональный конденастор лежит на столе

-- Прилагается рисунок: --

phil311 · 13.04.2008, 22:53

Ортогональный конденсатор в процессе измерения, подвешен. Точно также подвешивалось все остальное: планарный конденсатор из пластин, планар из проволочных рамок, конденсатор из двух проволок.
Проверялось влияние рук экспериментатора. Оно наблюдалось только на весьма близких расстояниях. Начиная с полуметра, заметного влияния рук и тел на резонансную частоту замечено не было.

phil311 · 13.04.2008, 22:55

Фото к предыдущему сообщению:

-- Прилагается рисунок: --

phil311 · 13.04.2008, 23:03

Измерительная аппаратура. ГСС Г4-151 на выходе 1 Вольт, далее аттенюатор - 20 дБ. Контур запитывался от ГСС через катушку связи 2 витка, которая располагалась у "холодного" конца основной катушки, т.е. у того конца, к которому ближе был отвод (от 3-го витка считая от "холодного" конца). Осциллограф С1-65А с измерительным зондом, на котором загадочная надпись С меньше 15 пФ. Входное сопротивление 10 МОм.
Поскольку входная емкость зонда неизвестна, решено было минимизировать ее влияние тем, что осциллограф подлкючался к тому самому отводу от 3-го витка, а не ко всей катушке. Трансформация напряжения 1:10, сопротивления 1:100. А вот какова при этом "трансформация емкости", пусть скажет кто-нибудь умный и грамотный

-- Прилагается рисунок: --

phil311 · 13.04.2008, 23:46

Как проводились измерения? Щуп осциллографа подключался к "холодному" концу катушки и отводу от 3-го витка, для снижения роли входной емкости щупа. Сигнал от ГСС подавался через катушку связи в 2 витка. Сначала катушка связи располагалась посередине основной катушки (в 30 витков), но затем было обнаружено, что лучше располагать катушку связи у "холодного" конца основной катушки, для снижения паразитных емкостей. Все результаты первоначальных измерений были "перечеркнуты", и измерения проделаны заново.
Итак, имеем катушку с расчетной индуктивностью 26,8 мкГн и "измеренной" 24,3 мкГн, собственной межвитковой емкостью 2,3 пФ. Подключаем первый планарный конденсатор из сплошных пластин. Получаем частоту резонанса 8.500 кГц, вычисляем емкость 14,43 пФ. Вычитаем 2,3 пФ, остается 12,1 пФ.
Второй планарный конденсатор из проволоки, частота резонанса 10.230 кГц, емкость 9,96 пФ, за вычетом Со остается 7,66 пФ. Действительно, при замене сплошных пластин на рамки емкость упала не так уж чтобы слишком значительно. +1 Воуку, который говорил, что краевые эффекты тут важнее чем распределенные по площади....
Третий, ортогональный, конденсатор. Расстояние между торцами те же 5 мм, но эти 5 мм имеют место быть только в одной точке, где пересекаются проекции плоскостей пластин. Наличием сосновой рейки с некоей диэлектрической проницаемостью приходится пренебречь, т.к. не нашлось иного способа скрепить пластины в нужном положении. Собственно говоря, можно ограничиться совсем небольшим кусочком диэлектрика, но к сожалению, он оказзывается именно в той точке, где напряженность поля максимальна. Либо надо продумывать и изготавливать более хитроумную конструкцию крепления, на что пока времени не было. Конфигурация конденсатора такова, что с одной стороны пластины находятся максимально близко друг к другу, с другой стороны - почти все точки этих пластин удалены на максимально возможные взаимные расстояния. Целью постройки такого "ортогонального" конденсатора было: свести к минимуму "относительную" взаимную емкость между пластинами, с тем, чтобы выделить в чистом виде ту самую "абсолютную" уединенную емкость, или "емкость Тау-Воука", которая вызвала столь оживленные дебаты в предыдущих двух темах, продолжением которых является настоящая тема.
С ортогональным конденсатором получаем частоту резонанса 8.930 кГц, емкость 13,08 пФ. За вычетом межвитковой емкости Со=2,3 пФ, остается = 10,78 пФ. Надо признаться, что при развороте пластины на 90 градусов относительно другой (т.е. переходе от планарного конденсатора к ортогональному) емкость упала намного меньше, нежели я ожидал!!! Интуитивно мне казалось, что при таком повороте межпластинная емкость должна упасть до долей пикоФарады! А насчет "абсолютной емкости Тау-Воука" по правде сказать, меня разбирают сомнения и до сих пор. Однако результат этого опыта, кажется, скорее в пользу Тау и Воука, нежели против них. Конечно, хотелось бы произвести теоретический расчет емкости ортогонального конденсатора, а потом сравнить с экспериментальным. Однако формул у меня нет, Воук писал о том, что испытывает затруднения с расчетом уединенной емкости плоских пластин ввиду краевых эффектов (толщина и форма торца дескать тут гораздо важнее, чем площадь поверхности, а для пластины или диска "без толщины" емкость вообще становится неопределенной...). Однако сам факт того, что при развороте пластин на 90 градусов емкость падает с 12 до 11 пФ, а не до 0,1 или хотя 1-2 пФ, этот факт уже впечатляет!
Должен признаться, что паразитные емкости проводников, длиной 7-8 см и на расстоянии 2-3 см друг от друга, тех проводников, которыми конденсаторы подключались к схеме, в данных измерениях не учитыывались никак, что несколько снижает ценность этих измерений. Увы, при первой попытке что-то померять не удалось учесть полезный совет "гуру форума" Алекса - использовать "компенсационный" метод измерения, этот метод описан Алексом на одной

phil311 · 14.04.2008, 00:04

на одной из последних страниц предыдущей темы. В дальнейшем, если будет возможность продолжить такие измерения, постараюсь все-таки прибегнуть к методу "компенсации", чтобы избежать влияния на результат паразитных емкостей монтажа. Так же есть надежда, что найдутся еще люди, которые захотят повторить подобные измерения, может быть с некоторыми вариациями. Чем больше незавимиых измерений, тем более объективная картина получается, тем ближе мы сможем подойти к реальному пониманию того, что же происходит в этих "открытых" конденсаторах...
И наконец последнее измерение. Две проволоки длиной по 200 мм на расстоянии 5 мм друг от друга. Частота резонанса 11.700 кГц. Емкость пока не посчитана, но это дело техники. Посчитать можно и потом. Сейчас спешу поделиться полученными результатами. Ну разумеется, частота выше, то есть у двух проволок емкость заметно меньше, чем у сплошных пластин, и несколько меньше, чем у проволочных рамок, чего, собственно говоря, и следовало ожидать.
Самое для меня феноменальное в этих опытах - то, что емкость ортогонального конденсатора оказалась незначительно меньше емкости планарного. Что как бы подтверждает правоту Тау и Воука о необходимости учета "уединенной" или "абсолютной" емкости для "открытого" конденсатора.
В плане перспектив для изготовления "хитрой" антенны (уж не знаю, называть ее скандальным именем "ЕН-антенны" или нет, посколько из чтения многих страниц по "ЕН-антеннам" так и не удалось составить точного представления, чтО собственно следует называть "ЕН-антенной", а что - нет) получаются у меня два вывода. Первый - вполне можно использовать не планарный, а ортогональный конденсатор, ибо надежды на какие-то позитивные особенности такой малогабаритной антенны связаны в первую очередь именно не с "относительной", а с "абсолоютной" емкостью. И второй вывод - для снижения "парусности" такой антенны вполне приемлемо использовать вместо сплошных пластин - пластины с отверстиями ("решето"), металлические сетки, или даже проволочные рамки. Емкость при этом, как видно из опытов, снижается отнюдь не катастрофически. И открытым остается таки вопрос - как же рассчитывать теоретически емкость таких конструкций, по каким формулам? Потому что намного удобнее сначала произвести расчет, потом изготовить антенну, а потом уже подстраивать ее в небольших пределах в резонанс на требуемую частоту.
Измерений добротности не производилось в этих опытах. Во всяком случае, вполне согласен с Тау, что утвеждение "ЕН-антенна является высокодобротным контуром" находится в вопиющем противоречии с утверждением, что эти антенны намного широкополоснее "обычных".
Ну а теперь приглашаю заинтересованных лиц к обсуждению результатов.