|
Наблюдая огромный резонанс, вызванный среди радиолюбителей публикацией доклада "Тайна метелочной антенны" [1], я не удержался и провел на даче несколько экспериментов. Сначала попытался измерить "ток с метелки" в полевых условиях. В наличии была телескопическая семиметровая стеклопластиковая удочка, купленная на рынке весьма дешево из-за нескольких сломанных колец. Пару "метелок" с длиной проводников 3 и 10 см наспех сделал из "распушенного" многожильного провода. Заземлением послужил стержень из оцинкованного стального прутка диаметром 4 и длиной 500 мм, заостренный с одной стороны и оснащенный ручкой от отвертки с другой. Для установки удочки удобно использовать деревянные колья, забиваемые в землю. Верхний конец кола надо обстрогать под диаметр нижней секции. Еще удобнее отрезок металлической трубы со сплющенным и завернутым в виде буравчика концом, "ввинчиваемым" в землю. Он же послужит и заземлением. Такой у меня есть, сделанный из ручки полотера, но я его не брал, чтобы не тащить лишний вес.
Эксперимент был проведен в середине обширной лесной вырубки параллельно со сбором малины. Ветра не было. От "метелки" шел тонкий изолированный провод к тестеру М830В, и от другого вывода тестера — к заземлению. Наивысшая чувствительность (десятые доли наноампера) у тестера на пределе 200 мВ, где его внутреннее сопротивление равно 1 МОм. Получаем предел измерения тока 200 нА, но после запятой прибор имеет еще разряд с "ценой деления" 0,1 нА.
Никакого тока обнаружено не было, что говорит лишь о том, что чувствительность использованного прибора недостаточна. В то же время, замечено любопытное явление, на первый взгляд, необъяснимое. При "размахивании" удочкой, неизбежном при ее установке, ток через прибор беспорядочно изменялся по величине и полярности, достигая на пиках даже десятка наноампер. Кстати, цифровые приборы в подобных экспериментах уступают стрелочным, где по движению стрелки хорошо видны любые изменения.
Последующие расчеты показали следующее: скорость потока ионов равна подвижности ионов, помноженной на напряженность поля. Подвижность отрицательных ионов (по Чижевскому) при нормальных атмосферных условиях равна 1,83 см/с, а напряженность атмосферного статического поля — около 1,3 В/см. Получаем скорость потока ионов v всего около 2,5 см/с.
Плотность ионного тока j = nve. Концентрацию n ионов в естественных условиях оценивают величиной порядка 1000 на см3, заряд иона е = 1,6.10-19 кл. Получаем ионный ток у земли около 4 пикоампер на м2, что неплохо согласуется с приводимыми в литературе данными (около 2,5…3,5 пА/м2). Трудно предположить, что эффективная собирающая поверхность использованных "метелок" превосходила несколько м2, да и высота их установки была невелика, поэтому и ток следует ожидать в пределах единиц — десятков пикоампер. Это на 1...2 порядка меньше чувствительности тестера.
В то же время предположим, что заземленная (через тестер) антенна создает вокруг своего верхнего конца область объемного заряда с потенциалом земли, т. е. нулевым. Быстро перемещая конец антенны с "метелкой" в другую область воздуха (быстрее, чем движутся ионы) с потенциалом U около + 1 кВ (130 В/м помножить на 7,5 м) мы вызываем ток перезарядки антенны и окружающего воздуха i, который и попытаемся оценить: i = dq/dt, q = CU. Положив емкость антенны С = 20 пФ и время ее перемещения 1 с, получаем ток около 20 нА — уже уверенно регистрируемое прибором значение. Этим я и объясняю скачки показаний при "размахивании" антенной. Из эксперимента последовал:
Вывод 1. Измерить ток с антенны в полевых условиях не удалось, но электризация воздуха вокруг "метелки" косвенно подтверждена.
Другой эксперимент я провел на даче, в жаркую погоду (+28оС) при слабом, лишь на редких порывах до умеренного SO ветре. Метелку изготовил из обрывка стального тросика автомобильного стеклоподъемника. Тросик содержал 7 прядей по 7 жилок диаметром 0,2 мм в каждой, всего 49. Пряди расплел на длину около 20 см, каждую прядь — на 5...7 см, сколько хватило терпенья. Получилась "фрактально-метелочная" антенна из волнистых упругих проводников (рис. 1), но это вряд ли изменило ее свойства. Что-то она очень напомнила, и я не сразу сообразил — кистевой разряд! Впрочем, и это не должно влиять на ее свойства.
 Рис. 1. Фрактально-метелочная антенна. Вид из люка на крышу.
Метелку закрепил на конце упомянутой 7-метровой удочки, а комель удочки надел на сухой сосновый шест, давно заготовленный для ТВ антенны (учитывая содержание передач, даже заниматься ТВ антенной не хочется). Всю эту легкую 12-метровую мачту поставил на крышу веранды и закрепил к коньку крыши дома (рис. 2). Металлическая крыша, как показали промеры, оказалась заземленной через жестяную облицовку дымовой трубы и печку домашней системы водяного отопления. Высота метелки над коньком крыши получилась около 9 метров
 Рис. 2. Установленная антенна на фоне вечернего неба.
Снижение от метелки было сделано из тонкого изолированного провода, оно нигде не касалось крыши или других предметов, могущих иметь хоть какой-то контакт с землей. Провод подходил к положительному выводу тестера, отрицательный вывод был заземлен. Для устранения возможных радиочастотных наводок от радиостанций, а также быстрых флуктуаций тока, которые все равно бы не отследил прибор, выводы тестера были зашунтированы специально подобранным конденсатором 4мкФх250В с очень малой утечкой.
Теперь "ток с метелки" регистрировался уверенно! Его среднее значение оказалось около + 0,15 нА, при неожиданно больших флуктуациях. Непрерывные наблюдения в течение трех часов показали следующее. Максимальное значение тока достигало нескольких наноампер (рис. 3), период флуктуаций измерялся секундами. Несколько раз ток менял направление, максимальное зарегистрированное значение "обратного" тока – 0,3 нА.
 Рис. 3. Один из максимумов "тока с метелки".
Флуктуации связаны, по всей видимости, с переносом ветром объемных зарядов атмосферного воздуха, которые не обязательно связаны с видимыми облаками. Движение зарядов над антенной наводит на метелке индуцированный заряд, а его изменение и вызывает флуктуации тока в проводе снижения.
Вывод 2. "Ток с метелки" существует и доказывает наличие "тихого" разряда с кончиков ее проводов (поскольку снижение изолировано). Он весьма нестабилен по амплитуде, и изредка меняет направление даже в хорошую, ясную погоду. Для его измерения достаточно простейших приборов.
Сомнений нет и в наличии у "тихого" разряда области с отрицательным сопротивлением. В Интернете удалось найти две независимых статьи с вольтамперными характеристиками разряда. Привожу график (рис. 4) с сайта [2].
 Рис. 4. ВАХ разрядов при атмосферном давлении.
Обратите внимание, что на нем по горизонтали отложен ток, а по вертикали — напряжение, все в логарифмическом масштабе. Слева, при наноамперных токах, область тихого (таунсендовского) разряда. Справа, при токах от единиц ампер и выше, область дугового разряда. И там, и там есть области с отрицательным сопротивлением. Подобный же график есть на сайте [3], худшего качества, но с оцифровкой осей. Первая, интересующая нас область отрицательного сопротивления, начинается на нем от тока около 100 нА, но это безусловно зависит от формы электродов и других условий эксперимента.
Как показали мои собственные эксперименты, проведенные еще в 2000…2001 гг, разряд на острых иглах начинается при удивительно низких напряжениях и больших расстояниях [4]. Правда, в экспериментах на столе он носит характер отдельных редких импульсов. Каков характер разряда с метелки в свободную атмосферу я пока не знаю.
Тогда же было обнаружено возникновение в разрядном промежутке релаксационной генерации, наблюдаемой на экране осциллографа и проявляющейся в виде слабого шипения или свиста. Впервые эти явления наблюдал еще Таундсенд в 20-х…30-х годах прошлого века.
Недавно я повторил эти эксперименты, чтобы установить верхнюю частотную границу генерации на разряде, включая в цепь иглы, или миниатюрной "метелки" из монтажного провода, колебательные контура. На частотах СВ диапазона (1 МГц) генерация получена легко, максимальная частота, которую удалось наблюдать — 5 МГц. Однако фронт импульсов разряда очень короткий, сигнал богат гармониками, и, я полагаю, можно получить генерацию на гораздо более высоких частотах.
Работа описанной антенны проверена и с громкоговорящим детекторным приемником, постоянно функционирующим на даче с антенной в виде луча длиной 12…15 м, протянутого из окна под углом около 45о на соседнюю березу. В условиях летнего прохождения продетектированное приемником напряжение составляет около 1,5 В (Маяк, 549 кГц, 75 кВт, расстояние 28 км). При подключении вместо луча метелочной антенны оно выросло до 4,5 В! Не осмелюсь утверждать, что это вызвано именно "усилением" метелки, просто хорошо работала высокая вертикальная антенна, удаленная от окрестных предметов и возвышающаяся над деревьями. К тому же и мощность принятого ВЧ сигнала (около 1 мВт) намного превосходила мощность "атмосферного тока", снимаемого с той же антенны. Флуктуаций ВЧ сигнала не отмечено.
По-прежнему нужны эксперименты, и неоднократные, именно при приеме слабых сигналов, мощность которых измеряется нано- и пиковаттами. И еще одно соображение. Полагаю, что нет надежды обнаружить "усиление метелки", используя приемники со стандартным 50-омным входом. Ведь эта антенна — чрезвычайно высокоомное устройство, имеющее выходное сопротивление по постоянному току (кВ/нА) даже не гига, а тераомы! Нужны приемники с высокоомным входом, лучше всего старинные, ламповые. И в заключение:
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! Работа с высокими антеннами, да еще ионизирующими воздух, в предгрозовую и грозовую погоду смертельно опасна! Соблюдайте все правила грозозащиты, обязательно заземляйте антенну, а лучше — снимайте ее до следующего эксперимента, и работайте только в хорошую погоду. За возможные опасные последствия экспериментов ответственность несете только вы сами!
Я именно так и сделал, еще засветло убрав описанный огромный шест с удочкой, и еще по одной причине — чтобы не пугать соседей и избежать ненужных объяснений. Все-таки, портативные QRP антенны гораздо лучше. Стационарную антенну надо рассчитывать на ураган, случающийся раз в несколько лет, а портативную — только на хорошую погоду в течение следующих нескольких часов! Конструкция получается неизмеримо проще и легче.
И еще: при экспериментах не подавайте на антенну никаких напряжений, тем более от высоковольтных источников! Прежде всего, это опасно, а потом — ничего нового не откроет, ведь генерация на разряде уже получена, а где возможна генерация, там тем более возможно усиление. Генерация обычно носит хаотический, шумовой характер, и может принести большой вред, сделав приемную антенну "шумной". Пользователи старинных метелочных антенн никаких напряжений к ним не подводили, а правила техники безопасности и грозозащиты соблюдали!
30.08.07 В. Поляков, RA3AAE
|
Статьи 
