Специфика силового и индукционного взаимодействия постоянных магнитов с проводниками, токами и зарядами. Эквивалентные схемы постоянных магнитов. Униполярные и тангенциальные электромашины. Законы электромагнетизма. Физическая природа магнитного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специфика силового и индукционного взаимодействия постоянных магнитов с проводниками, токами и зарядами. Эквивалентные схемы постоянных магнитов. Униполярные и тангенциальные электромашины. Законы электромагнетизма. Физическая природа магнитного поля

Ивченков Геннадий, к.т.н.

kashey@kwic.com

Аннотация

индукционный магнитный ампер проводник

Проведена серия экспериментов по уточнению эффектов силового и индукционного взаимодействия простоянных магнитов с токами и зарядами, результатом чего явилось открытие «линий циркуляции» - эквивалентной системы проводников с током полностью, качественно и количественно, описывающей индукционное и силовое действие постоянных магнитов. Проведена серия экспериментов с униполярным генератором и мотором, которая позволила, в частности, доказать статичную природу магнитного поля, как образования, не движущегося вместе с носителем.

Проведен критический анализ современных законов электромагнетизма, а также последних работ, ему посвещенных. Высказаны предположения по поводу реальной физической природы магнитного поля.

Содержание

Введение

Часть I

1.1 Магнитные поля однородных и составных магнитов

1.1.1 Магнитные полюса и «оси циркуляции»

1.1.2 Магнитные поля кольцевых магнитов. Оси циркуляции

1.1.2.1 Схема эксперимента

1.1.2.2 Магнитное поле кольцевых магнитов

1.2 Униполярные электромашины

1.2.1 Униполярный генератор

1.2.2 Униполярный мотор

1.3 Механизмы наведения ЭДС и силового взамодействияв электромагнетизме

1.3.1 Магнитные заряды, сила Ампера, индуцирование ЭДС в движущимся проводнике

1.3.1.1 Сила Ампера. Магнитные заряды

1.3.1.2 «Магнитные силовые линии»

1.3.1.3 Индуцирование ЭДС в движущимся проводнике

1.3.1.4 Попытки нахождения осевой силы в электромагнетизме. Лагранжеан. Векторный потенциал

1.3.1.4.1 Силовое взаимодействие зарядов

1.3.1.4.2 Математический формализм в электромагнетизме

1.4 Некоторые замечания по поводу возможной физической сущности магнитного поля

1.4.1 Немного истории

1.4.2 Магнитное поле как деформация эфира

1.4.3 Несколько замечаний о «вечном двигателе»

Литература

Введение

Современное положение в теории электромагнетизма не может считаться удовлетворительным. Фундаментальные исследования в этой области прекратились более ста лет назад, когда теоретики электромагнетизма посчитали, что все законы открыты и все явления объяснены, а практики нашли, что этих законов вполне достаточно, чтобы создать работающие машины. Однако, за время интенсивного практического применения электромагнетизма накопилось большое количество пародоксальных явлений, необъяснимых с точки зрения современной науки и, даже, появились работающие электрические машины, которые, опять же, согласно современной науке, не могут работать, такие как «униполярный генератор» [1, 2], «мотор Маринова» [3, 4] и т.п. Кроме того, ряд очевидных электромагнитных природных явлений, таких как шаровая молния и электрофонные метеориты (метеориты, создающие очень сильные электромагнитные поля) не находят вразумительного объяснения и, соответственно, не могут быть воспроизведены в лаборатории. В частности, непонимание механизма шаровой молнии (являющейся чисто МГД образованием), свидетельствует о неполноте современных знаний об электромагнетизме, что, например, привело к 50-летнему застою в создании магнитных ловушек для термоядерной плазмы. Только благодаря огромному количеству экспериментов (50-летняя эдиссоновщина) удалось продлить время удержания плазмы до порядка 2 секунд (сравните с минутами у шаровой молнии). На эти работы были потрачены миллиарды долларов - такова плата за невежество физиков-теоретиков. Далее, в учебниках и справочниках (в частности [5, 6, 7]) вы очень часто не найдете ответа на конкретные практические задачи, такие, например, как экранирование магнитного поля, особенно, постоянного и движущегося [11]. Даже в элементарных вещах, преподаваемых в школе, царит неразбериха - очень часто путают фарадеев и лоренцев механизмы наведения ЭДС и создания электоромотрной силы. Например, закон Ампера (правило левой руки) и феномен наведения ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле (правило правой руки), являющиеся следствием проявления лоренцевой силы, «по умолчанию» считаеют следствием фарадеева механизма [6]. Если вы проведете ревизию формул и положений, записанных в учебниках и справочниках, то выявится масса несуразностей, завуалированных в университетских учебниках тяжелопроходимым лесом математического формализма, что и было отмечено в ряде статей, например [9, 10]. Дело усугубляется сведением всей природы магнитного поля к круговым токам и вовлечением в электоромагнетизм теории относительности (СТО и ОТО). Некоторые авторы считают электоромагнетизм прямым следствием теории относительности Эйнштейна (и это при скоростях.дрейфа электронов в сантиметры в секунду и отсутствии искажения пространства-времени даже в самых сильных магнитных полях!). Наиболее ярко этот подход отражен в «Берклеевском курсе физики», (том II, Э. Парселл, Электричество и магнетизм) [7]. Прочтение этой книги вызывает чувство раздражения и неуважения к автору данного учебника.

У автора данной статьи, по началу, не было никакого желания проводить эксперименты по проверке и уточнению фундаментальных законов электромагнитизма. Такая необходимость появилась в процессе проведения исследований по вполне конкретной практической задаче - экранированию движущегося магнитного поля. После выяснения полной несостоятельности положений, описанных в доступных учебниках и справочниках (например, в [5, 6, 7, 11]), пришлось провести ряд экспериментов, связанных с изучением этого явления, моделируя движение магнитного поля движением постоянного магнита. Несоответствие полученных результатов общепринятым законам электромагнетизма привело к необходимости проведения других экспериментов, связанных с уточнением некоторых фундаментальных положений теории электромагнетизма. Эти эксперименты привели к некоторым нетревиальным выводам, позволили уточнить принципы наведения фарадеевой и лоренцевой ЭДС для случая движущегося носителя магнитного поля и открыть механизм тангенциальной индукции, что, в свою очередь, позволило предложить ряд злектрических машин, использующих этот принцип. Прототипы этих машин, описанных в части II данной работы, были созданы, испытаны и запатентованы автором [18].

Задача эксперимента

Основной практической целью эксперимента было исследование механизмов наведения ЭДС и силового взаимодействия магнитных полей в случае движущегося носителя магнитного поля.

Вопрос о движении магнитного поля является принципиальным, так как напрямую связан с его физической природой. Согласно современным представлениям (принятым, кстати, «по умолчанию», прямых указаний в литературе на это нет - вроде бы само собой разумеется), движение носителя поля относительно проводника и движение проводника относительно носителя поля - это одно и тоже, а магнитное поле, соответственно, движется вместе с носителем. Но имеется ряд экспериментальных свидетельств, которые противоречат этому положению.

В частности, известен пародокс «униполярного генератора», в котором ЭДС наводится только в движущемся проводнике и не наводится при движении магнита относительно проводника [1, 2]. При этом безразлично, относительно движущегося или неподвижного магнита движется проводник - ЭДС в обоих случаях одинаково. Кроме того, известно, что однородное магнитное поле не предает тангенциальных сил, что широко используется в магнитных подшипниках [14], поездах на магнитной подушке и т.п.

В связи с этим, можно предложить две рабочие гипотезы:

· Первая гипотеза (общепринятая) - Поле движется вместе с носителем (магнитом).

· Вторая гипотеза - Поле окружает магнит (как облако) и его напряженность в данной точке может меняться только в случае если движущийся (вращающийся) магнит имеет неоднородности. Следовательно, если эта гипотеза верна, то магнитное поле является статическим образованием и не движется с его носителем. Эта гипотеза не является новой. 170 лет тому назад она была предложена Фарадеем [20], но, впоследстии, она была совершенно вычеркнута из памяти. Сейчас очень трудно даже найти упоминание о ней, тем более, что она противоречит современным представлениям о природе магнитного поля.

Кроме того, остается не до конца выясненным вопрос о механизмах наведения ЭДС и силового взаимодействия магнитных полей.

Согласно современным представленияи, механизмов наведения ЭДС существует два - фарадеев и лоренцев. Соответственно, возникает ряд вопросов:

· Это что, разные механизмы или же проявления одного и того же механизма?

· Если это разные механизмы, то могут ли они работать одновременно? Складываются или вычитаются?

Ответа на это нет ни в одном справочнике или учебнике.

Первоначально задачей экспериментальных исследований, проведенных автором данной статьи, была проверка двух приведенных выше гипотез о движении магнитного поля. По мере проведения этих исследований появилась потребность в анализе и экспериментальной проверке механизмов наведения ЭДС и силового взаимодействия магнитных полй. Оказалось, что несмотря на огромный накопленный опыт в области электромагнетизма, существует очевидное непонимание этих механизмов (которые, фактически, являются основой электромагнетизма).

Для ответа на эти вопросы автором была проведена большая серия экспериментов с движущемися (вращающимися) магнитами, как однородными, так и составными. Полученные результаты, в частности, были использованы для создания ряда электромашин, модели которых были также исследованы. Данная работа разбита на две части. В первой части приведены результаты исследования магнитного поля постоянных магнитов, которые были использованы в экспериментах с униполярной и тангенциальной индукцией и результаты исследования индукции и сил, возникающих в униполярных машинах. Кроме того, в первой части автор высказывает свои предположения по физической сущности магнитного поля.

Вторая часть посвещена исследованию «тангенциальной индукции» и электромашин, построенных на этом принципе.

При анализе результатов экспериментов автор старался, по возможности, использовать общепринятые понятия, законы и формулы современного электромагнетизма и не вводить без крайней на то необходимости новые принципы и определения. Это было сделано в целях лучшей совместимости материала данной статьи с устоявшимися (хотя далеко не всегда правильными) понятиями современного электромагнетизма. Таким образом, автор в статье использует при анализе результатов экспериментов такие общепринятые и устоявшиеся понятиями как «вектор» , «магнитные силовые линиии» и «магнитные полюса», хотя далее по тексту показывает, что они, фактически, являются ложными физическими сущностями.

В статье математические выкладки сведены до минимума - упор сделан на физический смысл изучаемых явлений.

Схема измерения ЭДС электрогенераторов и стартового момента электромоторов использованная в данной работе

На Рис. 1 приведен пример схемы измерения ЭДС, индуцированной в униполярном генераторе.

Рис. 1

Аналогичные схемы применялись для измерения ЭДС, вырабатываемой другими электрогенераторами, исследованными автором (схемы приведены в соответствующих разделах).

Во всех нижеперечисленных экспериментах (кроме измерений крутящих моментов) ротор, содержащий однородный или составной постоянный магнит был закреплен в шпинделе малогабаритного сверлильного станка (1), а для магнитной экранировки нижнего проводника (используемой в некоторых экспериментах) применялась стальная плита (4) с центральным отверстием (столик станка). Относительно небольшая корость вращения шпинделя в 1000 об/мин (станок обеспечивает скорость вращения до 2500 об/мин) была выбрана для избежания биений магнита (2), что особенно важно в случае составного магнита. Для экспериментов были выбраны ферритовые дисковые (кольцевые) магниты 70х30х10 мм с Br = 0.27 Тл, а также NdFeB магниты 65х20х10 мм с Br = 1.2 Тл (две первые цифры - наружний и внутренний диаметры, последняя - толщина). Все электроды и щетки (3) были выполнены из немагнитного никелевого сплава. Для материала дисков был выбран фольгированный стеклотекстолит. Форма и амплитуда сигнала измерялась 2-х лучевым осциллографом “Hitachi V-212” (5). Точность измерения - порядка 0.5 мВ. Кабель, соединяющий измеряемый контур с осциллографом был зашунтирован сопротивлением в 27 Ом для уменьшения индустриальных наводок (внутреннее сопротивление униполярного генератора крайне мало, поэтому шунтирующее сопротивление никак не сказывается на точности измерений).

Были также проведены эксперименты с инвертированными электрогенераторами - электромоторами. В этих экспериментах измерялся их стартовый момент кручения. Схема измерения приведениа на Рис. 2.



Рис. 2

Ротор (статор) был подвешен на медной проволоке диаметром 0.38 мм, которая являлась торсионом, на котором поворачивался ротор (статор). Фактически, данная конструкция, измеряющая крутящий момент, являлась разновидностью крутильных весов. На торсионе было закреплено зеркальце, на которое был направлен луч лазера. Установка была прокалибрована в гс см. Точность измерения момента составила порядка 0.15 гс см.

Надо отметить, что все описанные в данной статье экперименты легко могут быть повторены всеми желающими - для этого необходим минимум оборудования. Вобще-то, большенство этих экспериментов могли бы быть проведены еще во времена Ампера и Фарадея, правда тогда не было двухлучевых осциллографов и сильных магнитов.

Часть I

1.1 Магнитные поля однородных и составных магнитов

1.1.1 Магнитные полюса и «оси циркуляции»

Надо отметить, что такие понятия, как «магнитные полюсоа», также как и «магнитные силовые линии», является историческим заблуждением пришедшим от перевых исследоватнлей постоянных магнитов. Кажущаяся их очевидность привела к созданию ложных физических сущностей, которые прошли через всю теорию электромагнетизма, крайне затруднив понимание реальной физической сущности магнитного поля.

Остановимся на физической сущности «магнитных полюсов».

Совершенно очевидно, что бесконечный проводник с током не создает никаких «полюсов» (Рис. 3A).

Рис. 3

Полюса появляются только в случае двух (и более) проводников, в которых токи текут в противоположных направлениях. На Рис. 1B приведен случай, когда проводники параллельны и токи равны. Тогда, если определять «полюса» как место на плоскости, в которой лежат эти два проводника, и где вектор В препендикулярен этой плоскости, то «полюсами» является линии, лежащие сверху и снизу на этой плоскости, параллельные проводникам и проходящие между ними на равном расстоянии.

Два же проводника с противоположно направленными токами, находящиеся на бесконечно большом расстоянии друг от друга создают однородное магнитное поле.

Магнитное поле постоянных магнитов также можно представить, как результат взаимодействия магнитных полей неких проводников с током. Такой подход не является новым; в литературе, в частности, поле поляризованного по оси кольцевого магнита представляется как поле некой эквивалентной цилиндрической обмотки с током (что, как показано далее в данной статье не является полностью корректным). То есть, формально, не вдаваясь в реальную физическую сущность процессов, протекающих в постоянном магните, он может быть заменен эквивалентной схемой проводников с током. Подобный подход широко используется в современной эдектротехнике.

Надо отметить, что корректное замещение реального магнитного поля однородных и неоднородных постоянных магнитов эквивалентным полем, создаваемым проводниками с током позволит провести правильный рассчет электрических машин, генераторов и моторов, у котрых ротор или статор представляют собой однородные или неоднородные постоянные магниты.

Причем, как показали эксперименты, проведенные автором данной работы, эти проводники ведет себя как реальные проводники с текущим по ним постоянным током, то есть их силовое воздействие полностью подчиняются закону Ампера и положение этих «проводников» может быть точно определено на поверхности магнита.

1.1.2 Магнитные поля кольцевых магнитов. Оси циркуляции

1.1.2.1 Схема эксперимента

Как было сказано выше, магнитное поле постоянного магнита может быть заменено эквивалентным полем, создаваемым некими проводниками с током, которые можно определить как «оси циркуляции» вектора В, находящиеся в теле магнита. Далее по тексту автор использует это определение.

Автором данной статьи были проведены эксперименты, направленные на исследование магнитного поля кольцевых постоянных магнитах и определение положения этих «осей циркуляции». Для этого, было предположено, что силовое взаимодействие этих эквивалентных «проводников» может быть описано законом Ампера. Это значит, что закон Ампера может быть распостранен и на «эквивалентные проводники» - «оси циркуляции» и, следовательно, силовое взаимодействие постоянных магнитов происходит не за счет притяжения или отталкивания магнитных полюсов, а за счет взаимодействия «осей циркуляции», и, также, подчиняется закону Ампера.

Схема эксперимента представлена на Рис. 4.

Рис. 4

Для определения положения полюсов на поверхности магнита использовалась стальная игла с ниткой (технология, доступная еще Гильберту).

Положение «осей циркуляции» определялось пробным кольцевым магнитом, внешняя «ось циркуляции» которого притягивалась (или отталкивалась) к «осям циркуляции» исследуемого магнита (см. Рис. 4А)

Для более точного определения положения «осей циркуляции» использовался тонкий, 0.08 мм, проводник, по которму пропускался ток. Этот проводник притягивался к «осям циркуляции», точно указывая их положение.

Для измерения окружного распеределения магнитной индукции (для неоднородных магнитов, при dB/dц ? 0) применялась пробная обмотка малого диаметра, соединенная со входом осциллографа. В положении, когда ось пробной обмотки была перпендикулярна плоскости торцевой поверхности магнита (см. Рис. 2В) измерялась вертикальная (осевая) составляющая вектора магнитной индукции (), а когда ось пробной обмотки была параллельна плоскости магнита (и параллельно вектору линейной скорости движения магнита V) то измерялась горизонтальная составляющая ().

1.1.2.2 Магнитное поле кольцевых магнитов

Как показывает эксперимент, в кольцевом магните существуют две «оси циркуляции» (схема на Рис. 5), внутренняя и внешняя, создающие взаимно противоположные циркуляции вектора В, при этом, границей раздела их магнитных силовых линий является плоскость полюсов.



Рис. 5

Для однородного кольцевого магнита, применяемого, в частности, в униполярных машинах, оси циркуляции и полюса являются окружностями. При этом, «оси циркуляции» расположены на внешней и внутренней цилиндрических поверхностях магнита и лежат в плоскости, разделяющей магнит пополам, а полюса представляют собой окружности, лежащие сверху и снизу на торцевой поверхности магнита. Как было сказано выше «ось циркуляции» кольцевого магнита можно представить, как кольцевой проводник, в котором постоянно течет ток. Для кольцевого ферритового магнита (70х30х10 мм с Br = 0.27 Тл) этот «ток» составляет порядка 40А.

Магнитное поле, создаваемое внутренней осью циркуляции «спрятано» внутри поля, создаваемого внешней осью. При этом образуются «карманы» - места перемены знака поля. Для однородного кольцевого магнита (Рис. 4) эти «карманы» расположены на оси магнита - сверху и снизу. Если поместить в них меньший кольцевой магнит, то он будет зафиксирован (будет левитировать) в них в осевом направлении (радиальное направление остается нестабильным). В «дальней» же зоне (на расстоянии большем, чем линейный размер магнита) поле вравнивается и полюса перемещаются на ось магнита (Рис. 5). Кроме того, силовое взаимодействие осей циркуляции магнита вызывает сильные внутренние напряжения растяжения. То есть материал любого постоянного магнита находится под действием радиальных наряжений растяжения и, например, если ферритовый магнит уронить, то он с силой разлетается на куски, обратно собрать которые практически невозможно. Более сильные магниты, такие как NdFeB, даже взрывоопасны.

Если диаметр внутреннего отверстия кольцевого магнита уменьшать, то, в пределе, останется только внешняя ось циркуляции, а внутренняя выродится в точку и плоскость полюсов на поверхности также превратиться в точку, совпадающую с центром диска.

Другая конфигурация магнита также применяемая в униполярных машинах, цилиндрический кольцевой магнит, поляризованный по радиусу, также образует две оси циркуляции с противоположными направлениями «токов». Их схема представлена на Рис. 6.

Рис. 6

Как видно на Рис. 6, в этом случае образуются две оси циркуляции лежащие на верхней и нижней торцевой поверхности магнита, а линии полюсов лежат на внешней и внутренней цилиндрических поверхностях магнита и проходит в плоскости, делящей цилиндр пополам. Магнитный «карман» в данном случае один и расположени он в центре магнита на его оси.

Магнитные «карманы» могут иметь практическое применение, например в магнитных подшипниках, или могут быть использованы как магнитные ловушки. В частности, эксперименты, проведенные автором данной статьи, показали, что однородный кольцевой магнит (см. Рис. 5) может быть подвешен в системе, состоящей из малых кольцевых магнитов, помещенных в «карманы» (осевая фиксация) и нескольких подковообразных магнитов, помещенных на переферии кольцевого магнита, которые за счет притяжения внешней оси циркуляции кольцевого магнита к осям циркуляции подковообразных магнитов обеспечивает радиальную фиксацию.

В неоднородных постоянных магнитах, в частности в составных магнитах также образуется система осей циркуляции. При этом, в каждой его части образуется свой контур осей циркуляции, которые всегда находятся на поверхности магнита. Например, в составном поляризованном по оси кольцевом магните (Рис. 7), примененным авторм данной статьи в конструкциях ряда электромашин образуется система осей циркуляции состоящая из двух контуров. Ее схема приведена на Рис. 6.

Рис. 7

Данный магнит был получен из однородного ферритового кольцевого магнита путем разламывания ег на две половинки и последующего их соединения таким образом, что торцы половинок имели противоположную поляризацию. Тут можно видеть, что в каждой половинке магнита образуется контур, образованный осями циркуляции, то есть, как бы замкнутый контур с током; при этом, в данном случае «токи» в радиальных «проводниках» этих «контурах» текут в одном направлении и, таким образом, радиальный ток суммируется и равен 2i.

Кроме того, в полном соответствии с предположением, что силовое взаимодействие постоянных магнитов - это взаимодействие их осей циркуляции, две половинки магнита притягиваются вследствии притяжения радиальных «проводников». Кстати, восстановить прежний однородный магнит можно, но с приложением достаточных усилий, так как эти две половинки будут стремиться оттолкнуться. В этом случае эквивалентные токи в радиальных «проводниках - «осях циркуляции» будут течь в противоположных направлениях, компенсируя друг друга и, система осей циркуляции примет исходный вид - как для цельного магнита, поляризованного по оси (Рис. 5). Следовательно, однородный магнит можно представить как набор магнитов, поляризованных в одном направлении (Рис. 8).



Рис. 8

Это означает, что в плоскости, перпендикулярной оси (N - S) магнита, эти элементы отталкиваются друг от друга и соединяются (для монолитного магнита) только прочностью материала магнита. Таким образом, как уже было отмечено выше по тексту, магнит всегда находится под действием радиальных и окружных напряжений растяжения и некоторые магниты являются, даже, взрывоопасными. В то же время, в осевом направлении материал магнита находится под действием напряжений сжатия (Рис. 8). Эту особенность, также, необходимо учитывать при проектировании электромашин с постоянными магнитами.

Следовательно, заменяя постоянный магнит эквивалентной схемой - системой эквивалентных проводников с током, представляется возможным производить корректный и детальный индукционный и силовой расчет электромашин, использующих постоянные магниты в качестве ротора или статора.

1.2 Униполярные электромашины

1.2.1 Униполярный генератор

Выдержки из литературы:

Изобретен Фарадеем. Был модифицирован Теслой и используется сейчас когда нужны очень большие токи (миллионы ампер) и малое напряжение. Самый мощный генератор тока из известных. Принцип действия неясен. Есть мнение, что он производит энергию из ничего. Обратим и может быть мотором. 16 патентов США, выданных на конструкцию униполярных генераторов, помещены на веб-сайте патентного оффиса США (http://www.uspto.gov/web/patents).

Конструкция и принцип действия:

Состоит (Рис. 9) из проводящего диска 2 и кольцевого или дискового магнита 1 (см. Рис. 5) с полюсами расположенными свеху и снизу.

Рис. 9

ЭДС наводится в диске между осью и краем диска и снимается щетками 3 и 4.

В другой конструкции используется радиально поляризованный цилиндрический магнит (Рис. 6) и проводящий цилиндр, окружающий магнит. В этом случае ЭДС наводится в проводящем цилиндре между его верхним и нижним торцами.

Эксперименты показывают, что ЭДС наводится в униполярном генераторе при следующих условиях:

· При вращении диска относительно неподвижного магнита,

· При вращении диска вместе с магнитом (генератор без статора !).

· И, что очень важно, не наводится при вращении магнита относительно неподвижного диска (!).

Таким образом, для получения ЭДС необходимо вращение проводящего диска, стоит ли при этом магнит или вращается вместе с диском - не имеет значения (этому, как раз, не могут найти объяснения). Очевидный механизм наведения ЭДС - лоренцев (фарадеев не работает «по определению», т.к. dФ/dt = 0). ЭДС легко считается по формуле Лоренца. В частности, в случае однородного поля (B = const) когда вектор B перпендикулярен плоскости диска, при r₁ = 0 (напряжение снимается с оси и края диска) наводимая в диске ЭДС будет равна:

E = - Ѕ B R²,

где R - радиус диска.

При этом диск можно представить как набор радиальных проводников пересекающих при вращении магнитные силовые линии. Это объяснение можно было бы признать удовлетворительным, если бы не вышеперечисленные особенности этого генератора (в частности, он может состоять из одного ротора - без статора).

Варианты объяснения особенностей наведения ЭДС в униполярном генераторе

Как было сказано выше, ЭДС в униполярном генераторе наводится при следующих условиях:

1. При вращении диска относительно неподвижного магнита,

2. При вращении диска вместе с магнитом.

ЭДС не наводится:

3. При вращении магнита относительно неподвижного диска.

Эти варианты были экспериментально проверены автором данной статьи. В частности, была испытана модель бесстаторного «униполярного генератора» (второй вариант). Ротор генератора представлял собой поляризованный по оси кольцевой NdFeB магнит с размерами 65х20х10 мм и Br = 1.2 Тл. Магнит был покрыт тонким слоем никеля, являющегося в данном случае проводящим диском. При скорости вращения ротора в 1000 об/мин постоянное напряжение, измеренное между осью (проводник 1) и краем магнита (проводник 2) составило 25 мВ.

Анализ этих вариантов показывает, что первый случай не вызывает вопросов, в то время как второй и третий случаи - парадоксальные и должны быть объяснены.

В ряде работ, например [2] и [10], приводится компенсационное объяснение этого парадокса. Авторы рассматривают как внутренний, так и внешний контур униполярного генератора (см. Рис. 8). Также считается, что поле движется с магнитом (первая гипотеза). Это объяснение проиллюстрировано на Рис. 9.

Рис. 10

· В случае вращающегося диска и неподвижного магнита (случай а, Рис 10), ЭДС наводится в диске (проводник ОС), а во внешнем неподвижном контуре (проводник OADC) ЭДС не наводится.

· В случае неподвижного диска и вращающегося магнита (случай b, Рис 10), наводится одинаковая, но противоположно направленная ЭДС в диске (проводник ОС) и проводнике AD внешнего контура.

· В случае магнита и диска, вращающихся с разными скоростями (случай с, Рис 10), вращение магнита относительно внешнего проводника AD наводит в нем ЭДС, в то время как ЭДС наведенная в диске зависит от относительной скорости вращния диска и магнита и, в предельном случае, когда диск вращается вместе с магнитом, ЭДС, наводимая в диске, равна нулю.

Этот же парадокс также может быть объяснен и с позиции неподвижного магнитного поля. В этом случае предпологается, что магнит вращается, а поле неподвижно (вторая гипотеза). Кстати, эта гипотеза была предложена еще Фарадем в процессе исследования униполярного генератора. Тогда в проводнике AD внешнего контура не наводится ЭДС во всех случаях. ЭДС наводится только в диске в случае его вращения, и эта ЭДС совершенно не зависит от того, движется ли магнит или нет. Это объсняет случаи а) и b).

Таким образом, существуют два равноценных объяснения и, следовательно, эксперименты с униполярным генератором не дают окончательного ответа, какая из предложенных гипотез правильная.

1.2.2 Униполярный мотор

Конструкция униполярного мотора такая же, как у униполярного генератора (см. Рис. 9), только в данном случае к щеткам прикладывается напряжение и, соответственно, в диске ОС и проводниках OADC течет ток.

Униполярный мотор развивает крутящий момент в случаях, когда:

· Магнит закреплен, диск может вращаться. При подаче на диск тока, диск вращается.

· Диск закреплен на магните. Диск с закрепленным магнитом может вращаться. При подаче тока на диск, он вращается вместе с магнитом.

Униполярный мотор не создает крутящий момент в случае, когда::

· Диск закреплен, магнит может вращаться. При прохождении тока, магнит не вращается.

Эти варианты были экспериментально проверены автором данной статьи. В частности, был испытан униполярный мотор, содержащий только ротор с тем же магнитом (NdFeB, 65х20х10 с Br = 1.2 Тл), подвешенный на проволоке, выполняющей роль торсиона. Магнит был покрыт тонким слоем никеля, который в данном случае выполнял функцию проводящего диска.

При подаче тока через скользящий по середине цилиндрической никелированной поверхности магнита контакт был отчетливо зарегистрирован поворот ротора, что свидетельствует об обратимости униполярного генератора, состоящего из одного ротора. При токе в 1.3 А был измерен момент в 1.14 гс см.

Таким образом, униполярный мотор создает крутящий момент в тех же случаях, когда униполярный генератор вырабатывает ЭДС.

Также, как и в случае униполярного генератора, первый случай не вызывает вопросов. Диск, являющийся набором радиальных проводников, движется (вращается) в поле магнита согласно закону Ампера (Рис. 11а).



Рис. 11

Второй и третий случаи не являются тревиальными и требуют отдельного рассмотрения.

В третьем случае магнитное поле, создаваемое током i, текущим в радиальном проводнике (диске) взаимодействует с «эквивалентным током» Ioc, текущим в осях циркуляции кольцевого магнита (Рис. 11b). Силы FL и Fr, создаваемые этим взаимодействием (силы Ампера) направлены перпендикулярно проводнику, которым в данном случае является ось циркуляции, то есть по радиусу и проходят через центр массы. Очевидно, что такие силы не создает крутящего момента, а только сжимают или растягивают магнит. В то же время, в первом случае, эта сила F приложена перпендикулярно к радиальному проводнику, то есть направлена по окружности, что и создает крутящий момент. Из этого следуют два важных вывода:

Данный случай дополнительно подтверждает тот факт, что сила всегда направлена перпендикулярно вектору скорости заряда, который в случае проводника с током совпадает с направлением тока, текщего в проводнике. Это подтверждение является особенно актуальным сейчас, когда в ряде теоретических работ, например [10], [20], авторы пытаются найти некую составляющую силы, параллельную вектору скорости.

Кроме того, если данная электромашина используется как генератор, то в контуре ADCO (Рис. 10) течет ток нагрузки, котрый, опять же, взаимодействует с магнитным полем, создаваемым магнитом, то есть с «эквивалентным током» текущим в осях циркуляции кольцевого магнита. Как было показано выше, это взаимодействие не создает крутящего момента, то есть к статору униполярного генератора (магниту) не приложен крутящий момент. В то же время, нагрузочный ток i, текущий в диске, тормозит его в соответствии с законом Ампера (Рис. 11с). Это значит, что, все равно, устройство, создающее крутящий момент (например, двигатель, турбина и т.п.), которое вращает диск, должно преодолевать сопротивление, вызванное нагрузочным током. Это, также, означает, что униполярный генератор не является «вечным двигателем», но, в то же время, между ротором и статором не происходит никакого обмена моментами и, соответственно, энергией.

Второй случай, когда диск закреплен на магните, не может быть объяснен компенсацией, как в случае униполярного генератора. Согласно логике, изложенной в «компенсационном объяснении» подобного случая для униполярного генератора, сила (и индукция) не может быть приложена к диску, так как относительное движение диска и поля отсутствует. Все «компенсирующие эффекты» должны прояляться во внешнем контуре. Но, совершенно очевидно, что щетки не могут создавать крутящий момент и толкать диск, они могут только тормозить его за счет трения. Таким образом, «компенсационный вариант» объяснения этого парадокса не проходит. Остается только предположить, что магнитное поле не движется вместе с магнитом. То есть рассмотренный случай является прямым подтверждением второй гипотезы - гипотезы неподвижного магнитного поля. Кроме того, и третий случай может быть обяснен с позиции этой гипотезы.

Надо отметить, что эта гипотеза объясняет и механизм работы магнитных подшипников.

Приведенный вывод - достаточно серьезный и проливает свет на истинную природу магнитного поля. Это означает, что движение одного носителя однородного магнитного поля относительно другого не сопровождается передачей тангенциальных сил; то есть такое движение не сопровождается трением. Следовательно, вращения или движения однородного магнитного поля не существует и оно не может быть зарегисирировано никакими приборами. Носитель однородного поля может двигаться (вращаться), а поле при этом остается неподвижным. Движение носителя магнитного поля проявляется только в том случае, когда поле имеет неоднородности. И в этом случае, магнитное поле не вращается, а то, что называют «вращением поля», является, по сути неким подобием «бегущих огней», которые никуда не бегут. Применимо к вращающимся магнитам, это значит, что, если магнитное поле однородно по окружности, то такие кольцевые (цилиндрические) магниты могут вращаться относительно друг друга без обмена моментами (без трения). Это, кстати, хорошо известно специалистам, работающим с магнитными подшипниками.

Несколько дополнительных замечаний по поводу униполярного генератора

Ниже приведены особенности работы униполярного генератора и мотора, которые необходимо учитывать при работе с ними:

· В диске униполярного генератора не наводятся круговые токи (аналогичные токам Фуко), потому, что потенциалы точек, расположенных на равных расстояниях от оси диска равны. Следовательно, в любом контуре на диске, ЭДС, наводимые в его проводниках, взаимно компенсируются, суммарноая ЭДС равна нулю и ток в контуре не течет. В частности, вольтметр, установленный на диске (вращающийся вместе с диском) и подсоединенный к оси и краю диска не может измерить ЭДС, вырабатываемую генератором, так как эта ЭДС полностью компенсируется ЭДС, наводимой в соединительных проводниках.

· Источник тока, установленный на диске и подсоединенный к оси и краю диска не может вращать диск, так как в данном случае силы, приложенные к диску и соединительным проводникам взаимно компенсируются.

Эти особенности вытекают из принципа работы униполярных машин. Они могут показаться тревиальными, но в ряде публикаций авторы их не учитывают и, в результате, делают неверные выводы. Например, считается, что ЭДС не наводится в высотных металлических конструкциях (башнях), так как они вращаются вместе с магнитным полем Земли. Но, любой измерительный прибор имеет соединительные проводники, подсоединненные в данном случае к основанию и верхушке башни, в которых и наводится встречная ЭДС. В результате чего измеренная величина равна нулю. Измеряеть же разность потенциалов между верхушкой башни и окружающим воздухом - совешенно некорректно, так как разность потенциалов за счет вертикального градиента электрического потенциала в атмосфере намного превосходит возможные электродинамические наводки..

Кроме того, эти особенности работы униполярных машин не позволяют сделать их обмотку многовитковой, так как ЭДС в каждом витке ротра (виток вращается вместе с ротором) взаимно компенсируется. Единственным местом на роторе, где не наводится ЭДС является ось. Это позволяет удвоить напряжение, вырабатываемое генератором. Схема такого генератора приведена на Рис. 12. Эта конструкция была разработана и испытана автором данной статьи.



Рис. 12

В ней два кольцевых магнита расположены одноименными полюсами друг к другу. Два проводящих диска закреплены на проводящей оси и вращаются относительно неподвижных магнитов. При этом напряжение, вырабатываемое в верхнем диске складывается с напряжением, вырабатываемым в нижнем диске, то есть удваивается. Диски могут быть жестко закреплены на магнитах, при этом вся эта конструкция вращается вокруг оси. Напряжение вырабатываемое этим генератором будет таким же, как у первого варианта генератора.

1.3 Механизмы наведения ЭДС и силового взамодействияв электромагнетизме

В этом разделе автор сделал попытку систематизировать известные данные о механизмамах наведения ЭДС и силового взамодействия магнитных полей.

Этих механизмов известно два - фарадеев и лоренцев.

При этом, надо обратить внимание, что исторически, фарадеев механизм был открыт и исследован на 50 лет раньше лоренцева. В то же врема, такие проявления лоренцева механизма, как сила Ампера и феномен наведения ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле, были известны задолго до появления работ Лоренца и, для некоторыз их них были предприняты попытки их интерпретации с позиции фарадеева механизма. Более того, фундаментальная система уравнений Максвелла была также выведена до открытия лоренцева механизиа. Очевидно, что в таком случае появляется возможность ошибочной интерпретации некотрых явлений в электромагнетизме, искажение их физической сущности и, как результат, использвания некорректных формул для их описания.

Тем не менее, следуя современным знаниям в области электромагенетизма (вобще-то сформировавшимся 100 лет назад) и достаточно проверенным практикой, выходит, что эти механизмы существенно отличаются.

В частности:

· Фарадеев механизм - это статический механизм не связанный с движением проводника и поля (если только при движении носителя поля не меняется его напряженность - но и в этом случае это также статика).

· Лоренцев - чисто динамический - движение проводника (электрических зарядов) в магнитном поле. Но какое движение - абсолютное или относительное? Если - относительное, то движение носителя поля относительно проводника и движение проводника относительно носителя поля - это одно и то же? Как было сказано выше, согласно современным представлениям (принятым, кстати, по умолчанию, прямых указаний в литературе на это нет - вроде как само собой разумеется) - это одно и тоже.

Один из поднятых вопросов, по видимому, получил свое разрешение. Как было убедительно доказано выше на примере униполярного мотора, движение носителя магнитного поля не сопровождается движением поля.

Кроме того:

· Лоренцев механизм вызывает силовое взаимодействие заряда с полем (сила Лоренца, приложенная к заряду и сила Ампера, приложенная к потоку зарядов, текущих в проводнике) и, также, наводит ЭДС в движущемся проводнике (благодаря той же силе Лоренца).

· Фарадеев механизм ответственнен за наведение ЭДС, вызванное изменением напряженности магнитного поля и никак не связан с движением. Он не описывает силовое взаимодействие, и сила Ампера никак не может быть объяснена с позиции фарадеева механизма.

Кроме того:

· Оба механизма могут быть разделены, то есть, в одном случае может работать только фарадеев механизм (трансформатор), в другом - только лоренцев (униполярные машины).

· Если каждый из этих механизмов наводит ЭДС и создает силу, то для каждого из них должны существовать свои законы и формулы описывающие как наведение ЭДС, так и создание силы.

· Формула Фарадея является интегральной и применима только для замкнутых контуров, при этом учитывается только магнитный поток, пересекающий плоскость контура и ограниченный этим контуром. Это вписывается в официально принятую трактовку электромагнетизма, единственно трактующего магнитное поле как результат круговых токов - циркуляции электрических зарядов, происходящих на макро и микро уровнях. В то же время, результаты проведенных в данной работе экспериментов дают достаточные основания предположить, что механизм Фарадея должен быть также применен к отдельным проводникам, образующим контур.

· Лоренцев же механизм не связан с замкнутым контуром и работает для каждого отдельного элемента проводника (заряда). При этом лоренцев механизм позволяет обьяснить (и рассчитать) как наведенную ЭДС, так и возникающию при этом силу.

· Закон Ампера («правило левой руки») является очевидным проявлением лоренцевой силы и не имеет никакого отношения к фарадееву механизму.

Следовательно, для случая фарадеева механизма, отсутствуют:

· Принцип и формулы, описывающие наведение ЭДС в отдельных проводниках, образующих контур.

· Принцип и формулы, описывающие силовое взаимодействие источников переменных статических магнитных полей (исключая формулы, основанные на законе сохранения, которые не раскрывают физического смысла взаимодействия).

При этом возникает вопрос, а может быть фарадеев механизм вобще не вызывает силового взаимодействия? Если проанализировать случаи силового взаимодействия токов с полем, то все они обусловлены лоренцевыим силами. Например, ток, текущий в катушке трансформатора вызван изменением напряженности магнитного поля во времени (фарадеев механизм). Он создает поле, которое взаимодействует с током, текущим в другом элементе катушки, вызывая возникновение силы Ампера, которая является очевидным проявлением силы Лоренца (кстати, катушка с током всегда растянута по радиусу).

1.3.1 Магнитные заряды, сила Ампера, индуцирование ЭДС в движущимся проводнике

За 180 лет существования электромагнетизма накопилось значительное количество общепринятых стереотипов - часть из которых является ложными и неврными в принципе, но на основе которых выведены формулы и которые кочуют из учебника в учебник, совершенно искажая физическую сущность магнитного поля. Для их выявления достаточно проанализировать известные основные законы электромагнетизма.

1.3.1.1 Сила Ампера. Магнитные заряды

Как уже отмечалось, закон Ампера был открыт задолго до открытия механизма Лоренца. Легко показать, что он являентся следствием механизма Лоренца.

Закон Ампера:

где

тогда, - закон Лоренца.

Очевидно, что параметер [Кл. м/сек] является полным аналогом «элемента тока» [Кл/сек. м]. Физический механизм здесь очевиден: проводник принудительно ориентирует движение электронов, отсюда и появился «вектор» . Кроме того, параметер может быть назван магнитным зарядом. Таким образом, электрический заряд q превращается при движении в магнитный заряд , сохраняя свои свойства электрического заряда (по крайней мере при ). Знак магнитного заряда зависит от направления вектора и знака электрического заряда. Кроме того, «магнитный заряд», в отличии от электрического не должен квантоваться, так как не существует кванта скорости V (хотя в справочниках и фигурирует «квант магнитного потока» ).

Позвольте, скажут, но ведь силовые магнитные линии замкнуты. Согласно теореме Гаусса , что говорит об отсутствии магнитных зарядов!

1.3.1.2 «Магнитные силовые линии»

Понятие «магнитные силовые линии» является одним из заблуждений, нанесшим огромный вред теории элетромагнетизма. Ранние исследователи электромагнетизма были зачарованы железными опилками, выстраивавшимися в магнитном поле в некие узоры. Почему они так выстраиваются, сейчас очевидно даже школьнику! В поле опилки превращались в игольчатые магниты (как стрелка компаса), к которым прикладывалась пара сил, поворачивая их до совмещения оси опилка с направлением вектора - касательной к безградиентной поверхности с B = const. Совершенно очевидно, что то, что называется «магнитными силовыми линиями» является изолиниями напряженности магнитного поля В, линиями, лежащими на поверхности с B = const.! Настоящие силовые линии перпендикулярны этим «магнитным силовым линиям». Для случая двух бесконечных проводников с током, текущим в противоположном направлении, они соединяют зти два проводника совершенно также, как силовые линии электростатического поля, то есть имеют исток и сток. Приложение же теоремы Гаусса к изолиниям совершенно абсурдно. Изолинии, конечно же, замкнуты. Если применить теорему Гаусса к изолиниям электростатического поля (считая их «силовыми линиями»), то получится, что электрических зарядов нет! В то же время, теорему Гаусса применяют (и совершенно правильно) для токов смещения , совпадающих по направлению с реальными электростатическими силовыми линиями (вектор )! Этот подход, как известно, был использован при выводе уравнений Максвелла. И, после этого, специалисты, работающие в этой области, удивляются, что система уравнений Максвелла не работает в ряде конкретных случаев.

Сказанное здесь является совершенно очевидным, но эти «магнитные силовые линии» вместе с вектором успели проникнуть во все уравнения электромагнетизма совершенно исказив физический смысл явлений. Так магнитное поле стало «вихревым».

Что такое - вектор ? Векторным элементом здесь является - нормаль к плоскости силового взаимодействия, на которой лежит вектор . Движущийся заряд создает «плоскости взаимодействия» - бесконечное количество плоскостей, в которых лежит вектор скорости движения заряда (см. Рис. 12А ниже по тексту). Если в пространстве находитися заряд , движущийся со скоростью , то он взаимодействует с магнитным полем, созданным первым зарядом. Таким образом, вектор скорости первого заряда и точка в пространстве, где расположен второй заряд полностью определяют эту плоскость - плоскость силового взаимодействия, что, вобщем-то, позволяет отказаться от векторной составляющей «вектора» . Таким образом, «вектор» является, вобще-то, математическим формализмом.

В то же время надо отметить, что «магнитные силовые линии», являющиеся на самом деле изолиниями, графически довольно неплохо и наглядно представляют магнитное поле (как любые изолинии). Такая графическая интерпретация поля широко используется в современной электротехнике и, в некоторых случаях, является удобной. Автор не призывыает полность отказаться от такого представления поля, но необходимо однозначно понимать, что это такое и полностью отдавать себе отчет, что не существует такого физического понятия, как «поток изолиний». В магнитном поле ничего никуда не течет и нет никаких «вихрей»!

1.3.1.3 Индуцирование ЭДС в движущимся проводнике

Как было сказано выше, феномен наведения ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле был открыт раньше, чем была открыта сила Лоренца. Для объяснения этого эффекта был привлечен тогда уже известный фарадеев механизм. Схема этого объяснения здесь не приводится, так как она всем известна - кочует из учебника в учебник. Согласно этому объяснению, за движущемся проводником тянется некий контур, площадь которого расширяется при неизменном В.

.

Условность такого подхода очевидна: с какой это стати за движущимся проводником должен тянуться некий «контур»? Кроме того, в этом случае не имеет никакого отношения к электромагнетизму, а, фактически, является линейной скоростью движения отрезка , так же, как, например, является линейной скоростью движения поверхности S.

Физический же механизм этого явления ясен: при движении проводника свободные заряды в нем смещаются вдоль него под действием силы Лоренца.

, при этом сила направлена вдоль проводника .

Так как

, то .

Таким образом, совпадение формул, полученных а первом и втором случаях является чисто формальным, а правильным является вывод, основанный на формуле Лоренца. Это значит, что фарадеев механизм в этом случае не участвует.

Примерно такой же вывод приведен в школьном справочнике по физике под редакцией Кабакова.

Автор извиняется перед читателями за повторение, казалось бы, очевидных вещей, но вопрос здесь стоит принципиальный. Некоторые авторы (например, авторы работы [10]) до сих пор считают, что эти выводы равнозначны, а это значит, что эти два механизма наведения ЭДС - фарадеев и лоренцев - это один и то же механизм, только лоренцев является «зарядным» подходом, а фарадеев - «полевым». О том, что эта позиция является неправильной дополнительно свидетельствует тот факт, что наведение фарадеевой ЭДС в неподвижном контуре при изменяющейся во времени напряженности магнитного поля () никак не может быть объяснено с позиции лоренцева механизма, а фарадеев механизм не может объяснить силу Ампера.

Физический же смысл фарадеева механизма частично раскрывает принцип Ленца. Согласно этому принципу магнитное поле имеет «инерцию» и стремится сохранить исходное состояние. Это качественно объясняет самоиндукцию и взаимоиндукцию как проявления фарадеева механизма.

1.3.1.4 Попытки нахождения осевой силы в электромагнетизме. Лагранжеан. Векторный потенциал

...