Antenne corona virtuelle

[Tropique]

Bonjour,

Je suis confronté à un phénomène curieux: je suis en train d'étudier et de mettre au point des systèmes de transmission d'énergie sans fil par voie magnétique.

Les émetteurs sont des bobines de une à quatre spires, d'un diamètre allant de quelques cm à quelques dizaines de cm.
J'ai également créé de quoi les attaquer, des convertisseurs résonants pouvant y injecter quelques dizaines d'ampères vers 500KHz~1MHz.

Disposant d'une telle source de champ magnétique intense et variable, il était tentant d'y mettre une bobine à nombre de tours élevé, style bobine Tesla, "pour voir"....
Je n'ai pas résisté à la tentation, et j'ai fait un solénoide de ~20cm de long sur 5cm de diamètre, ayant quelques centaines de spires.

Comme prévu, cela donne des effets intéressants: dès que le convertisseur reçoit une alimentation suffisante, la tension secondaire génère un effet corona sur le fil de sortie: il s'agit d'un simple bout de fil vertical d'une trentaine de cm (l'extrémité froide est reliée à la masse).

Jusque là, rien d'anormal.

Mais quand l'effet corona s'amorce, la consommation augmente considérablement: tant qu'on est sous le claquage, elle est de quelques watts, valeur cohérente avec l'échauffement des différentes parties du montage, mais dès que la corona apparait, elle est plus que décuplée.
Ce qui est curieux, c'est que l'èchauffement n'augmente pas beaucoup, et que la génération du plasma ne semble pas prendre beaucoup d'énergie: l'effet se limite à un cône de "streamers" à l'extrémité du fil, maximum quelques cm³, et cela semble une décharge très froide, bleu-violacé, assez sombre.
Il y a donc plusieurs dizaines watts qui s'évaporent dans la nature.
Et apparemment, c'est bien ce qu'ils font: j'avais constaté que quand le phénomène débutait, des tubes fluo dans les parages s'allumaient spontanément (et que tout ce qui est liaison DSL ou éthernet tombe instantanément).
Il doit donc y avoir une puissance RF importante qui est rayonnée.

Pour le confirmer, j'ai mis une résistance shunt en série dans le pied de l'enroulement, et j'ai pu constater que, si la mesure avant amorçage était "normale", compatible avec la capacité vers l'espace libre de ~2pF, après, elle grimpait à des valeurs de plus de 800mA càc, ce qui est assez insensé vu la valeur de la tension de sortie de quelques dizaines (voire plus) de KV.

Tout se passe comme si l'effet corona se comportait comme une énorme prolongation de l'antenne "physique" de 30 cm.
Ce qui me laisse perplexe: la zone de décharge est visiblement très limitée, et à cette fréquence là, les charges d'espace sont presque tout de suite neutralisées le demi-cycle suivant.
Quel est le phénomène qui peut générer un aussi bon couplage vers l'espace libre?
A titre indicatif, la self vaut environ 20mH, et a une résistance DC de ~200ohms. Son échauffement est cohérent avec la puissance de ~10W qu'elle a à dissiper.

Si quelqu'un peut m'aider à éclaircir ce mystère...

Merci
-----

[mbochud]

Bonjour,

Je n’ai pas la réponse. Mais l’effet corona génère pas mal d’UV. Des matériaux fluorescents le montre. Je doute toutefois que ce soit la majorité de cette déperdition d’énergie.
L’effet corona crée aussi des instabilités très rapides qui font du rayonnement EM large spectre.

[calculair]

bonjour Tropique,
Je ne sais si j'ai bien compris ta manip....

En fait tu induit ta ta bobine de 20 cm de long , 5 cm de diametre et d'une centaine de spires, un courant de 500Khz à 1 MHz

Cette bobine est branchée d'un coté à la terre ( supposée bonne à la fréquence de travail) et l'autre bout est constitué par une antenne de 30 cm de long.

Tu constates que si la puissance injectée est faible, le courant circulant entre le sol et la bobine est de quelques mA ( valeurs non donnée), et quand la puissance injectée augmente, ce courant peut atteindre 800 mA, tu constates une ionisation de l'antenne, et un fort rayonnement electromagnetique, detecté par illumination de tubes fluorescents...


Que peux tu dires de la relation entre la puissance fournie par le generateur et ce courant d'antenne ?

Quelle est la frequence de travail ? fixe, ou variable ?

[Tropique]

bonjour Tropique,
Je ne sais si j'ai bien compris ta manip....

En fait tu induit ta ta bobine de 20 cm de long , 5 cm de diametre et d'une centaine de spires, un courant de 500Khz à 1 MHz

Cette bobine est branchée d'un coté à la terre ( supposée bonne à la fréquence de travail) et l'autre bout est constitué par une antenne de 30 cm de long.

Exact.

Tu constates que si la puissance injectée est faible, le courant circulant entre le sol et la bobine est de quelques mA ( valeurs non donnée),

Avec un shunt de 1ohm, c'est juste un épaissisement de la trace de l'oscillo, donc non précisé, mais pas choquant.

et quand la puissance injectée augmente, ce courant peut atteindre 800 mA, tu constates une ionisation de l'antenne, et un fort rayonnement electromagnetique, detecté par illumination de tubes fluorescents...

Au moment de l'ionisation, il y a un saut brutal du courant d'alim. C'est accompagné de bruits caractéristiques, qui rappellent à s'y méprendre l'allumage d'un chalumeau oxyacétylène: un "PETT!!", suivi du crissement violent de la décharge, similaire au bruit d'une flamme.
Il y a aussi un fort hystérésis: pour désamorcer l'ionisation, il faut revenir fortement en arrière.

Que peux tu dires de la relation entre la puissance fournie par le generateur et ce courant d'antenne ?

Quand l'échelon est passé, c'est à peu près proportionnel (je n'oserais pas dire linéaire, je l'ai pas mesuré exactement, mais ce n'est surement pas loin).

Quelle est la frequence de travail ? fixe, ou variable ?

Ni l'une ni l'autre. Le convertisseur est conçu à l'origine pour que sa fréquence suive le circuit résonant, mais pour l'adapter à la bobine Tesla (n'oublions pas que ce n'était pas du tout le but original), j'ai modifié le couplage de la spire de réaction pour qu'elle prenne en compte la charge (la bobine).

A ce propos, il y a des bizarreries également: les fréquences de résonance du primaire et du secondaire sont largement différentes.
Lorsqu'ils sont couplés avec un k de l'ordre de 0.1, il y a deux maxima largement écartés. Cela c'est en régime linéaire, mais lorsque c'est piloté par le convertisseur, la fréquence est encore différente.
Cet effet non-linéaire, quasi chaotique est reproductible en simulation, ce n'est donc pas une "vraie" anomalie, mais quand même.
Quand la décharge s'amorce, cette fréquence de prédilection demeure à peu près stable, donc cet aspect n'est pas tellement perturbé. Ce qui change est le transfert d'énergie vers l'extérieur: une (petite) partie des kilowatts qui oscillaient de manière purement réactive entre les éléments du circuit peut être évacuée vers l'extérieur, avec une taille d'antenne ridicule compte tenu de la longueur d'onde.

Demain, je posterai plus de détails quantitatifs.

[A voir en vidéo sur Futura]

[calculair]

Bonjour,

Voila une première explication, mais pas tout à fait satisfaisante...

Lorsqu'il n' y a pas d'ionisation.

Les pertes du circuit sont les resistances ohmiques et un peu de rayonnement


Lorsqu'il y a ionisation
Les pertes augmentent, il faut alimenter cette ionisation, un courant circule entre la terre et l'air. Il y a necessairement une discontinuité au moment de l'allumage.

Quand à l'ecart des frequences de raisonance primaire secondaire, elle depend du coefficient de couplage. Je ne sais repondre ici si tes observations sont conformes à la theorie que tout le monde peut lire dans les bons ouvrages...


Je m'explique encore mal l'augmentation du rayonnement electromagnetique, mais peut être est il liée à l'augmentation du courant primaire imposée par les pertes d'ionisation du secondaire. Le champ produit augmente brutalement à ce moment, ainsi tu franchis la valeur qui provoque l'allumage des tubes proches...

voila une tentative un peu divinatoire pour t'aider à te mettre sur la voie

[Tropique]

Bonjour,

Voila une première explication, mais pas tout à fait satisfaisante...

Lorsqu'il n' y a pas d'ionisation.

Les pertes du circuit sont les resistances ohmiques et un peu de rayonnement


Lorsqu'il y a ionisation
Les pertes augmentent, il faut alimenter cette ionisation, un courant circule entre la terre et l'air. Il y a necessairement une discontinuité au moment de l'allumage.

Quand à l'ecart des frequences de raisonance primaire secondaire, elle depend du coefficient de couplage. Je ne sais repondre ici si tes observations sont conformes à la theorie que tout le monde peut lire dans les bons ouvrages...

Globalement, c'est l'analyse que j'en avais faite


C'est ici que ça se corse

Je m'explique encore mal l'augmentation du rayonnement electromagnetique, mais peut être est il liée à l'augmentation du courant primaire imposée par les pertes d'ionisation du secondaire. Le champ produit augmente brutalement à ce moment, ainsi tu franchis la valeur qui provoque l'allumage des tubes proches...

J'ai réassemblé un set-up de test pour faire quelques mesures; ce n'est pas tout à fait conforme à l'état initial, mais en gros voici ce que ça donne:
Fréquence de résonance du primaire isolé: 773KHz
Fréquence de résonance du secondaire isolé: 652KHz
Fréquence d'oscillation avec les circuits couplés, avant ionisation: 830KHz
Fréquence d'oscillation avec les circuits couplés, avec ionisation: 625KHz

Ici, il y a un saut de fréquence important au moment où ça s'ionise, il ne me semblait pas que c'était aussi marqué lors de mes observations précédentes, mais il se peut que j'aie raté quelque chose, parce qu'avant ionisation, le signal de courant n'est pas observable à l'oscillo sans changer de gamme.

J'essayerai de reconstituer un set-up précédent, voir si je peux reproduire ce que j'avais observé.

[calculair]

Bonjour

D'aprés tes mesures, il semble que la frequence de resonance du primaire augmente avec le couplage et celle du secondaire diminue, ce qui est a priori qualitativement correct. Il faudrait faire le calcul si cela est conforme aux equations des circuits couplés.

Pour ce qui concerne le saut en frequence, je suppose qu'il faudrait etudier les conditions d'accrochage de ton oscillateur. Il doit s'agir un auto oscillateur avec comme disposifif fixant la frequence ton transformateur constitué par tes bobines couplées. La modification des condition d'amortissement des circuits lors de l'ionisation, doit modifier les conditions d'accrochage de l'oscillateur.

Il faut se plonger dans les equations des circuits couplés et de ton oscillateur.

[Tropique]

Je pense avoir bien progressé dans la compréhension du phénomène.

J'avais déjà remarqué une tendance du système à entrer dans des modes d'oscillation chaotiques, et j'avais pensé que c'était un phénomène marginal, après plus d'investigations, il semble bien que ce soit central, et même la clé de l'énigme.

Déjà, un simple convertisseur Royer peut adopter des modes d'oscillation irréguliers en fonction du rapport entre la self accordée et la self d'alim.

Lorsqu'on ajoute un circuit accordé faiblement couplé et à très fort Q comme ici, cette tendance est exacerbée.
A titre d'exemple, voici une simulation de l'ensemble, avec la capacité secondaire steppée dans une très faible gamme: de 192.600pF à 192.650pF, par incréments de 10fF.
Pour rendre la simulation plus parlante, les valeurs du secondaire sont divisées par 100 pour la self, et multipliées par 100 pour le condensateur. Ce qui ne change rien à part la tension, pourvu que le facteur de couplage (ici 0.1) reste identique.
En réalité, les incréments se chiffrent donc en attofarads.

On constate que même pour des variations aussi faibles, l'impact est énorme. En examinant les traces, on voit aussi que les oscillations sont affectées de modulations subharmoniques.
J'ai choisi cet intervalle de valeurs parce qu'il est assez caractéristique, mais des phénomènes similaires se retrouvent dans de nombreux autres intervalles, avec des variantes, comme l'annulation presque totale du signal.

La maquette est en plus soumise au phénomène d'ionisation, qui n'est pas reproduit dans cette simulation.
Cet effet non-linéaire supplémentaire vient apparemment interagir avec l'oscillateur, ce qui résulte en des plages de stabilité pour certains modes d'oscillation, plages dans lesquelles il y a une sorte de "tracking dynamique", qui adapte très précisément le couplage pour assurer le transfert maximal d'énergie.
Le courant de sortie module le volume de la zone ionisée, ce qui modifie la capacité terminale équivalente et permet d'adapter la fréquence de l'oscillateur.
Je soupçonne également l'influence d'effets de pompage, qui modulent la zone conductrice à l'intérieur du cycle de 700KHz, à la manière d'un amplificateur paramétrique.
Cela rappelle la ferro-résonance, mais en électrostatique.

L'effet de tout cela est de permettre un couplage très élevé de l'antenne avec l'espace, malgré sa taille ridicule: 30cm pour 700KHz, et la puissance rayonnée se chiffre en watts, peut-être plus.

L'effet est assez capricieux, et est influencé par de minuscules variations dans les composants ou la configuration, mais il reste largement reproductible.