Индукционные и силовые эффекты, вызванные движением носителя магнитного поля. Тангенциальная индукция и законы электромагнетизма

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Индукционные и силовые эффекты, вызванные движением носителя магнитного поля. Тангенциальная индукция и законы электромагнетизма

Геннадий Ивченков

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), вобще-то являющийся следствием проявления лоренцевой силы, «по умолчанию» считается 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 изучения 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 ЭДС для случая движущегося носителя магнитного поля, уточнить принцип Ленца и открыть механизм тангенциальной индукции, что, в свою очередь, позволило предложить ряд злектрических машин, использующих этот принцип. Прототипы этих машин были созданы и испытаны автором.

1. Схема эксперимента

На Рис. 1 приведен пример схемы измерения ЭДС, индуцированной в униполярном генераторе. Аналогичные схемы применялись для измерения ЭДС, вырабатываемой другими электрогенераторами, исследованными автором (схемы приведены в соответствующих разделах).

Рис. 1

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 = 0.274 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 27Ом 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, эти эксперименты могли бы быть проведены во времена Ампера и Фарадея, правда тогда не было двухлучевых осциллографов и сильных магнитов.

2. Задача эксперимента

Основной целью экспериментов было исследование механизмов наведения ЭДС в случае движущегося носителя магнитного поля. На это натолкнул известный 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. Таким образом, можно было предположить, что магнитное поле является статическим образованием и не движется с его носителем. Для проверки этого предположения 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. Объем данной статьи не позволяет привести описание и анализ всех проделанных экспериментов, так как каждому эксперименту (например, исследованию «униполярного генератора») может быть посвещена отдельная статья. Поэтому в данной статье приведено краткое описание только некоторой части из этих экспериментов, имеющих отношение к эффекту тангенциальной индукции.

Надо также отметить, что при анализе результатов экспериментов автор старался, по возможности, использовать общепринятые законы и формулы электромагнетизма. В статье практически отсутствуют матемаические выкладки - упор сделан на физический смысл изучаемых явлений.

3. Механизмы индуцирования ЭДС - обзор и вопросы

По поводу механизмов наведения ЭДС (и, соответственно, выработки механической энергии - для моторов):

Их, собственно, два - фарадеев и лоренцев. Это что, разные механизмы или же проявления одного и того же механизма? Ответа на это нет ни в одном учебнике. Если это разные механизмы, то могут ли они работать одновременно? Складываются или вычитаются?

Надо отметить, что:

· Вообще-то, фарадеев - 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? Согласно современным представлениям (принятым, кстати, по умолчанию, прямых указаний в литературе на это нет - вроде как само собой разумеется) - это одно и тоже. Но ряд экспериментальных результатов противоречит этому положению. В связи с этим, можно предложить две гипотезы:

· Первая гипотеза - 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. То есть, магнитное поле есть скалярное образование.

Первая гипотеза является, как бы, общепринятой. Кроме того, путаница с двумя механизмами наведения ЭДС, которые, в большенстве случаев трудно отделить друг от друга, затрудняет проверку этих гипотез (а результат всегда трактуется в пользу первой гипотезы).

В частности, одной из целей данных экспериментов и была проверка этих гипотез.

4. Коротко о «униполярном генераторе»

Выдержки из литературы

Изобретен Фарадеем. Был модифицирован Теслой и используется сейчас, когда нужны очень большие токи (миллионы ампер в импульсе) 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 офиса США.

Конструкция

Состоит из проводящего диска (цилиндра) и дискового (цилиндрического) магнита с полюсами расположенными сверху и снизу. ЭДС (снимаемая щетками - одной соединенной с осью, а другой скользящей по краю диска.) наводится в диске между осью и краем диска при следующих условиях:

· При вращении диска относительно неподвижного магнита,

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

Рис. 3

· 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).

Таким ообразом, выходит, что движение проводника относительно носителя поля и движение носителя поля относительно проводника - это не одно и то же, и данный результат можно трактовать в пользу второй гипотезы. При этом, для наведения ЭДС проводник должен двигаться относительно магнитного поля (не источника магнитного поля, а, именно, магнитного поля).

Кроме того, данная конструкция сразу ставит вопрос о механическом взаимодействии ротора и статора. Так как в замкнутой системе сумма крутящих моментов равна нулю (У М = 0), то реактивный момент (зависящий от нагрузки) должен в этом случае быть приложена к статору, который во втором случае вообще отсутствует (конечно, формально статором можно считать щетки и проводники, соединяющие щетки с нагрузкой).

Модель безстаторного «униполярного генератора» была испытана автором. 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 и краем магнита (см. Рис. 1) составило 25 мВ.

Униполярный генератор, содержащий только ротор с тем же магнитом (NdFeB, 65х20х10 с Br = 1.2 Тл), подвешенный на проволоке (см. Рис. 3) был проверен как электродвигатель (Рис. 4). Магнит был покрыт тонким слоем никеля, который в данном случае выполнял функцию проводящего диска.

Рис. 4

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. Надо отметить, что вышеприведенные измерения не представляют собой ничего нового, а только подтверждают ранее известные факты.

Затем эксперимент был слегка модифицирован и проводник 2 (медный эмалированный провод 0.1 мм в диаметре) был жестко закреплен на роторе. При подаче тока был зарегистрирован поворот ротора в том же направлении и, приблизительно, на тот же угол. При этом проводник 2 изгибался в направлении, противоположном направлению поворота ротора (Рис. 5). Далее участок проводника 2 длиной 20 мм был заменен на более жесткий провод диаметром 0.5 мм, не изгибающийся при подаче тока. И в этом случае ротор повернулся на тот же угол. Анализ сил, приложенных к проводнику 2, показывает, что он должен создавать крутящий момент, противоположный направлению вращения диска, то есть, эти моменты должны компенсировать друг друга (см. Рис. 5).

Рис. 5

Но диск поворачивается и тянет за собой проводник 2. Данный результат - нетревиальный (такая система не должна двигаться) и нуждается в объяснении.

5. Униполярный генератор с неоднородным магнитом

Конструкция (разработана автором данной статьи) приведена на Рис. 6. Кольцевой ферритовый магнит ломается и одна половина переворачивается, так, что на верхнем и нижнем торцах на одной половине S, а на другой N. На поверхности магнита (на Рис. 6 - красный/синий) закрепляется проводящий диск (на Рис. 6 - желтый). ЭДС снимается щетками 1 и 4.

В данном случае, в точках 2 и 3 наводится переменная ЭДС (сигнал - близкий к синусоидальному, с амплитудой примерно ± 2 мВ).

Картина в данном случае получается значительно сложнее, чем в случае униполярного генератора с однородным магнитом, т.к. здесь могут участвовать как подвижные, так и неподвижные участки контура (проводники, соединяющие генератор с нагрузкой), т.е. вместе с лоренцевым механизмом может участвовать и фарадеев (так как dФ/dt ? 0).

Рис. 6

Разделить эти механизмы, в общем-то, можно (даже предположив, что поле движется с магнитом согласно первой гипотезе):

· Согласно учебникам Лоренц не работает когда проводник направлен вдоль вектора скорости (или проводник и вектор скорости лежат в одной плоскости) и когда вектор В параллелен вектору скорости.

· Фарадей не должен работать в подвижной части контура (закрепленной на магните), т.к. в этом случае проводник подвижной части контура не перемещается относительно неоднородностей магнитного поля.

Т.е. если вместо проводящего диска поместить проводник (4-5) жестко закрепленный на магните (в принципе, диск работает так же - набор радиальных проводников, но для ясности лучше использовать единичный проводник, правда возникает проблема с коллектором), то образуется контур 1-2-3-4-5 состоящий из неподвижных проводников 5-1, 1-2, 3-4 и нагрузки 2-3. В этом случае Фарадеев механизм заведомо не работает в подвижном проводнике, а в неподвижных проводниках может наводиться и Фарадей и Лоренц (если поле движется вместе с магнитом - первая гипотеза) или только Фарадей (если поле стоит - вторая гипотеза).

В следующем эксперименте напряжение снималось не с края диска, а со щетки 6 (все электроды и щетки - немагнитные) скользящей по поверхности диска и имеющей возможность радиального перемещения (Рис. 7)

Осциллограммы сигнала, полученные на разных расстояниях от оси диска представлены на Рис. 7

Рис. 7

Сигнал, полученный при нахождении щетки на оси диска (осциллограмма а) имеет трапециидальную форму с провалами в вершине трапеции (E = ± 2.5 мВ). Далее, по мере смещения щетки по радиусу от оси, амплитуда сигнала падает (форма остается той же), а на некотором расстоянии от оси (осциллограмма b) сигнал исчезает. При дальнейшем движении щетки сигнал меняет фазу и становится близким к синусоиде с амплитудой на краю диска равной ± 2 мВ (нижняя осциллограмма).

При вертикальном расположении проводника, соединяющего щетку 6 с нагрузкой форма и амплитуда сигналов несколько меняется.

В частности, сигнал, полученный при нахождении щетки на оси диска при вертикальным расположении проводника, соединяющего щетку с нагрузкой, близка к синусоидальной, а амплитуда - меньше амплитуды сигнала (осциллограмма а, Рис. 7) и составляет ± 1.5-2 мВ. По мере передвижения щетки от оси (расположение проводника - вертикальное) форма сигнала становится сглаженной трапециидальной, а амплитуда слегка увеличивается (± 2.5 мВ). Далее амплитуда быстро падает и достигает 0 на некотором расстоянии от оси диска, причем это расстояние меньше, чем в случае горизонтального проводника. Далее фаза сигнала меняется и на краю диска сигнал имеет форму близкую к синусоидальной с амплитудой ± 2мВ - то есть сигнал становится таким же, как на осциллограмме с (Рис. 7).

Анализ результатов

Можно с достаточным основанием предположить, что в данном случае два механизма, фарадеев и лоренцев, действуют одновременно, создавая ЭДС с противоположной полярностью. В этом случае фарадеева ЭДС наводится на неподвижных участках контура - в проводнике, соединяющим щетку 6. Эта ЭДС (форма и амплитуда) сильно зависит от положения проводника 1 - горизонтального или вертикального так как индукция В (и ее производная dB/dt) в местах расположения проводника в этих случаях имеет разное значение. По мере перемещения проводника фарадеева ЭДС уменьшается (за счет его выдвижения из поля магнита), а лоренцева, наводимая во вращающейся части контура (часть диска между осью и щеткой) - возрастает по мере увеличения расстояния между щеткой и осью. На расстоянии R (R2 - для вертикального проводника и R1 - для горизонтального) они компенсируют друг друга (Еф = Ел), при этом на осциллограмме видны небольшие неоднородности (< 0.5 мВ) вызванные неодинаковой формой сигналов (фарадеевого и лоренцева). Далее лоренцев сигнал преобладает, а фарадеев уменьшается практически до 0 на краю диска. Т.к. фарадеев сигнал для горизонтального проводника (расположенного у поверхности магнита) больше, чем для вертикального, а лоренцев в этих случаях один и тот же (расстояние щетки от оси диска одно и то же), то очевидно, что расстояния, где оба сигнала компенсируют друг друга будут разные (R1 больше R2).

Таким образом:

· Сигнал, снимаемый с края диска обусловлен только лоренцевым механизмом.

· Данный эксперимент может служить доказательством того, что и в униполярном генераторе с однородным магнитом (раздел 5) ЭДС наводится в диске за счет лоренцевого механизма.

6. Униполярный генератор с неоднородным магнитом и неподвижными проводниками (магнит вращается), исключающий возникновение лоренцевой ЭДС

Для разделения механизмов наведения ЭДС был проведен эксперимент, где были созданы условия, исключающие возникновение лоренцевой ЭДС.

В этом эксперименте к двухполярному вращающемуся магниту на его боковой цилиндрической поверхности был помещен неподвижный проводник 1-2 в форме полупетли, который плотно прилегал к цилиндрической поверхности магнита и, при этом скользил по ней (Рис. 8).

Рис. 8

Как можно видеть, лоренцова ЭДС здесь не может наводиться т.к. проводник направлен вдоль вектора скорости, т. е. вектор l по всей длине проводника параллелен вектору линейной скорости V.

В то же время, в эксперименте была зарегистрирована переменная ЭДС. Осциллограмма сигнала приведена на Рис. 9. Сигнал имеет форму достаточно близкую к синусоидальной с амплитудой ± 7 мВ (частота 17 Гц). При распрямении петли (проводник 3-4) сигнал становится по форме близким к трехугольнику. Амплитуда при этом уменьшается до ± 5 мВ. В этом случае лоренцова ЭДС также не наводится, т.к. вектор скорости и проводник лежат в одной плоскости.

Рис. 9

Далее, полупетля была помещена с другой стороны магнита. Фаза, форма и амплитуда измеренного сигнала оказались такими же как и для предыдущего случая (полупетля спереди).

Затем, две полупетли были соединены в полную петлю с выводами, расположенными по диаметру (Рис. 10). Фаза, форма и амплитуда измеренного сигнала оказались такими же как и для передъидущего случаев (полупетля спереди или сзади, см. Рис. 10).

После этого, петля была увеличена в диаметре (центр петли совпадал с центром магнита). В этом случае неподвижная петля не скользила по магниту, а отстояла от него на некоторое расстояние. Полярность сигнала при этом осталась прежняя, форма сигнала существенно сгладилась, еще более приблизившись к синусоидальной, а амплитуда сигнала существенно упала (с ± 7 мВ непосредственно на цилиндрической поверхности магнита - 35 мм от оси - до ± 3.5 мВ на расстоянии 44 мм от оси).

В следующем эксперименте скользящая петля была заменена на проводящее кольцо жестко закрепленное на магните, а сигнал снимался щеткам, расположенными по диаметру. Полярность, форма и амплитуда сигнала оказались такими же, как и в предъидущих случаях.

.

Рис. 10

Здесь надо отметить, что конструкция генератора приведенная на Рис. 8 (петля с двумя выводами) очень напоминает «электормотор Маринова», названный так по имени его изобретателя - австрийского электротехника - только инвертированный (генератор) и с несколько другим магнитом (Рис. 11).

Рис. 11. «Мотор Маринова»

Можно предположить, что и генератор, конструкция которого приведена на Рис. 8 также можно инвертировать и использовать как электромотор.

Анализ результатов

В данных экспериментах лоренцев механизм не участвовал в создании ЭДС «по определению». Следовательно, за ЭДС наведенную в проводниках 1-2 и 3-4 ответственен фарадеев механизм, но принцип и формула, описывающие наведение фарадеевой ЭДС для каждого отдельного проводника отсутствуют.

В этом случае для качественного объяснения результатов эксперимента автор воспользовался законом Фарадея и принципом Ленца, но в модифицированном виде:

· Наведенная в проводнике ЭДС является функцией dB/dt (точнее, производной циркуляции вектора В по времени) в месте расположения проводника, а не производной суммарного потока dФ/dt.

При этом, ток, создаваемый наводимой в проводнике ЭДС вызывает циркуляцию магнитного поля которая стремиться скомпенсировать изменение циркуляции в месте расположения проводника.

Вышеизложенный принцип можно назвать «модифицированным принципом Ленца».

Как будет показано ниже (разделы 8, 10), постоянные магниты (в частности, кольцевой) имеют две оси противоположной циркуляции - внешнюю и внутреннюю, которые можно представить, как две проводящие петли с током, текущим в противоположных направлениях. В частности, для кольцевых ферритовых магнитов (см. раздел 2) этот постоянно текущий «ток» составляет порядка 40А. Для составного магнита «токи», текущие а этих «осях» меняют знак и, следовательно, при вращении магнита циркуляция вектора В (и Н), охватывающая неподвижную полупетлю периодически возрастает, убывает и меняет знак. Таким образом, в контуре циркуляции вектора Н, созданной постоянным магнитом, оказывается полупетля и, фактически, здесь имеет место случай взаимной индукции как в трансформаторе (но, опять же, для отдельного проводника, а не для контура), которая и наводит в проводнике ЭДС, которая, в свою очередь, создает циркуляцию магнитного поля, стремящуюся скомпенсировать это изменение (согласно приведенному выше «модифицированному принципу Ленца»). Эксперимент показывает, что полярность, форма и амплитуда сигнала одинаковы для полупетель, расположенных спереди и сзади от магнита (Рис. 6), а также, для полной петли (Рис. 12). Основываясь на «модифицированом принципе Ленца» можно качественно проанализировать механизм появления ЭДС в полувитках (Рис. 12).

Рис. 12

Как можно видеть, в момент, когда полувитки охватывают половины магнита с разными полюсами (положение А), циркуляция магнитного поля в месте расположения полувитков, создаваемая магнитом, максимальная. При повороте магнита в положение В она уменьшается, т. к. полувитки «переезжают» на другую половину магнита с противоположной полярностью. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, в полувитках возникает ток создающий циркуляцию магнитного поля, совпадающую с циркуляцией поля магнита и компенсирующей это уменьшение. На Рис. 12 видно, что эти токи направлены в одну сторону, что и подтверждается экспериментом. ЭДС, наведенная в полувитках равна 0 (меняет знак) в момент показанный на Рис. 12, когда полувитки полностью охватывают половины магнита с разной полярностью и достигает максимума, когда середины полувитков совпадают с плоскостью раздела магнитов.

Кроме того, в данном случае, магнит вращается внутри контура, образованного двумя полукольцами 1-2 и проводниками, соединяющими точки 1 и 2 с нагрузкой, и, следовательно, суммарное магнитное поле внутри контура не меняется и, таким образом, ЭДС не должна наводиться. Исходя из этого можно предположить, что формула E = - dФ/dt является частным случаем более общего закона E = У ei Дl, где е = f (dB/dt) - ЭДС, локально наводимая в элементе проводника Дl.

Таким образом, интегральная формула Фарадея в данном случае не работает и, согласно известным законам электромагнетизма, ЭДС в кольце и полукольце не должна наводиться, в то время, как эксперимент показывает наличие существенной ЭДС. Такой механизм наведения ЭДС в тангенциальных проводниках может быть назван «тангенциальной индукцией».

Кроме того, в случае «тангенциальной индукции» сразу возникает вопрос о силовом взаимодействии ротора и статора. Очевидно, что, согласно 3-му закону Ньютона для вращательного движения, крутящий момент ротора должен быть равен и противоположен крутящему моменту, создаваемому в статоре под нагрузкой (трение в подшипниках не учитывается). Силы, возникающие в тангенциальных проводниках в магнитном поле ротора при протекании в них нагрузочного тока, направлены строго радиально, их векторы проходят через центр массы (ось) статора и, соответственно, не создают крутящего момента, а только растягивают и сжимают таегенциальные проводники статора в радиальном направлении. Следовательно, отсутствует обмен моментами между ротором и статором, и ротор, вращаясь, вырабатывает электроэнергию в статоре без механического сопротивления!

Тут возможны два варианта:

· Генератор, действительно, не создает тормозящий момент (что позволяет создать «вечный двигатель» и противоречит 3-му закону Ньютона).

· Существует некий механизм создания тангенциальной силы в случае тангенциальной индукции. В этом случае, законы элекртромагнетизма должны быть пересмотрены и дополнены.

Здесь еще раз надо отметить принципиальные особенности фарадеевого и лоренцева механизмов:

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

· Для каждого из этих механизмов 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 - Ленца должен быть также применен к отдельным проводникам, образующим контур.

· В то же время, лоренцев 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»), скорее всего, является проявлением лоренцевой силы и не имеет 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).

Иллюстрацией отсутствия закона, описывающего силовое взаимодействие для фарадеева механизма может быть следующий пример:

Предположим, что замкнутый плоский контур помещен в однородное магнитное поле и вектор магнитной индукции В перпендикулярен плоскости контура. Интенсивность поля начинает меняться, при этом в контуре наводится ЭДС и течет ток, создающий поле, стремящееся скомпенсировать это изменение (принцип Ленца). Тогда, согласно закону Ампера, на проводники контура действуют радиальные силы, которые компенсируют друг друга и контур остается неподвижным, только сжимается (при возрастании поля) или растягивается (при убывании поля). Это, фактически, означает, что механическое взаимодействие контура с магнитным полем (и его носителем) отсутствует, хотя в контуре течет ток и вырабатывается энергия. Аналогичный случай описан выше, когда в тангенциальных проводниках наводится ЭДС, а ток нагрузки, согласно закону Ампера, не создает реактивного момента.

7. Взаимодействие вращающегося магнита с неподвижными радиальными проводниками

Рис. 13

постоянный магнитный проводник тангенциальный индукция

При исследовании «тангенциальной индукции» возникает вопрос, а какой вклад вносят радиальные проводники, соединяющие полукольцо (кольцо) с нагрузкой, ведь в них также может наводиться ЭДС. Для ответа на этот вопрос была проведена серия экспериментов.

В этих экспериментах у поверхности составного вращающегося магнита (примененного в предъидущем эксперименте) были расположены неподвижные проводники (см. Рис. 13) при этом измерялось наведенное в них ЭДС.

Были получены следующие результаты (осциллограммы приведены ниже на Рис. 14):

· Е 35 примерно = 0 (если проводники 3 и 5 лежат в плоскости оси).

· При повороте проводника 2 на малый угол (в плоскости диска) появляются пики противоположной полярности (см. верхнюю осциллограмму). Далее сигнал приобретает вид изломанной пилы и при повороте на 180 градусов (Е25) приобретает вид трапеции с провалом в середине. Амплитуда импульсов порядка ± 5 мВ, частота 17 Гц (для 1000 о/мин).

Рис. 14

· Далее, с целью магнитной экранировки ось была пропущена через отверстие в стальной плите (см. Рис. 14). Сигнал снимаемый в точках 2 и 6 (Е26) полностью повторяет по форме сигнал Е25, но его амплитуда примерно (в пределах погрешности) в два раза меньше - ± 2.5 мВ. При этом его форма и амплитуда никак не зависят от поворота проводника 2. При перемещении проводника 2 вверх по оси (в позицию 1) сигнал сглаживается, превращаясь вначале в сглаженную трапецию, а потом в синус и резко уменьшается по амплитуде - на расстоянии порядка 5 см от диска он близок к 0.

· Кроме того, если сверху или снизу от магнита протянуть изолированный проводник 8-9 (желательно ближе к поверхности магнита, см. Рис. 15) проходящий через центр магнита, то на нем наводится ЭДС, форма и амплитуда сигнала такие же как у Е25 (± 3.5мВ - трапеция с небольшими провалами). При этом безразлично, где протянут проводник, сверху или снизу.

· E47 не превышает 0.5 мВ.

Таким образом:

· При расположении проводников в плоскости оси на одинаковом расстоянии от поверхностей магнита (проводники 3 и 5) ЭДС наводимые в верхнем и нижнем проводниках компенсируют друг друга.

· Конструкция нижней части контура - вертикальная ось проходящая через отверсти в стальной плите обеспечивает практически полную магнитную экранировку нижней части контура. Т.е. на нижней части оси и проводнике 6 не наводится ничего.

· Величина и форма наводимой ЭДС очень сильно зависит от конфигурации поля и его напряженности в месте расположени проводника. Суммарный магнитный поток, Ф = У(B S), охватываемый контуром (и его изменение) на ЭДС не влияет никак. Более того, при перемещении проводника 2 вверх по оси Е должно возрастать т.к. контур охватывает большую площадь с большим суммарным магнитным потоком), а этого не наблюдается, наоборот Е убывает.

Анализ полученных результатов

Ниже приведен качественный анализ данного явления (упрощенный, в 2-х мерном приближении). Полученные результаты могут быть объяснены в рамках «модифицированного принципа Ленца».

Рис. 15

Рассмотрим проводник 1-2, подвешенный над магнитом в непосредственной близости от его поверхности и проходящий через центр (Рис. 12). Предположим, что в данный момент проводник находится в плоскости раздела двух половинок магнита (магнит при этом вращается). В этой плоскости (относительно оси лежащей в этой плоскости) циркуляция магнитного поля достигает максимального значения.

При дальнейшем вращении магнита циркуляция начинает убывать как с одной стороны магнита, так и с другой. Для поддержания магнитного поля (в данном случае, его циркуляции) в проводнике возникает ток компенсирующий это уменьшение (только в месте расположения проводника; в данном случае проводник не отвечает за весь контур и не компенсирует изменение магнитного потока, проходящего через плоскость контура). Уменьшение циркуляции продолжается до достижения полюсов, S и N, гда циркуляция равна 0 (силовые линии направлены перпендикулярно плоскости магнита).

После прохождения полюсов направление циркуляции меняется на обратное, но она возрастает - таким образом, направление тока в проводнике сохраняется до достижения максимального значения в плоскости разделяющей магниты. В ней начинается уменьшение циркуляции при том же ее направлении, т.е. ток в проводнике меняет знак. Так как циркуляция внизу магнита имеет такое же направление и величину, что и наверху (проводник 3), то не имеет значение, проходит ли проводник сверху или снизу магнита - амплитуда и фаза сигнала остается теми же.

Следовательно, сигнал равен 0 при прохождении проводником плоскости раздела магнитов, и достигает максимума при прохождении полюсов. Трапециидальная форма импульсов объясняется тем, что полюса половинок магнита не точечные - это отрезки дуги на поверхности магнита (у однородного магнита это окружности, где S на одной стороне магнита, а N - на другой, см. Рис. 16) и провалы объясняются отсутствием изменения циркуляции на этом участке (сигнал пропорционален производной).

В частности, полюса однородного магнита на его поверхности имеют форму окружностей, а при удалении поле «собирается» и полюсами становятся точки на оси магнита (Рис. 16).

Рис. 16

Для неоднородного магнита картина похожая, но более сложная. Полюса на поверхности - это отрезки дуги (примерно ј окружности каждый) «сползающие» затем на край магнита и переходящие на другую сторону. На расстоянии примерно равным диаметру диска поле сглаживается и полюсами становятся некие точки в пространстве расположенные напротив центров этих отрезков (Рис. 16).

При удалении проводника от поверхности магнита, форма сигнала сглаживается, пропадают провалы и, далее форма сигнала становится синусоидальной (амплитуда при этом резко падает). Это объясняется сглаживанием магнитного поля и уменьшением его напряженности по мере удаления от магнита.

При перемещении проводника 1-2 (Рис. 16) в радиальном направлении от оси магнита (положение 4-5) трапециидальная форма импульсов искажается, появляются провалы, объесняемые в данном случае неодновременностью прохождения разделительной плоскости проводником. В этом случае на одной половине магнита циркуляция в этот промежуток времени падает, а на другой возрастает, таким образом, ЭДС наводимые в двух частях проводника частично компенсируют друг друга. При дальнейшем перемещении сигнал меняет фазу и при выходе проводника за пределы магнита (положение 6-7) импульсы преобретают трехугольную форму (раздел 7, Рис. 14).

Надо отметить, что полученные результаты (кроме ЭДС в проводнике 6-7) могут быть также объяснены и с точки зрения первой гипотезы - лоренцевого механизма - (движение поля вместе с магнитом). В этом случае ЭДС такжн равно 0 в плоскости соединения магнитов (вектор скорости V параллелен вектору В) и максимален в полюсах (где V + B). Правда, данный вариант не объясняет некоторые особенности формы сигнала, в частности провала на вершине трапеции (форма, характерная для дифференцированного сигнала).

Это еще раз свидетельствует о сложности разделения двух механизмов наведения ЭДС.

Здесь еще раз надо отметить, что подобная путаница с механизмами наведения ЭДС возникает при анализе электромагнитных устройств во многих случаях, например при анализе работы электромотора постоянного тока (классический школьный пример - рамка вращается между двумя магнитами) или при вдвигании - выдвигании магнита из рамки. В этом случае направление ЭДС в рамке можно найти по «правилу правой руки». Количественно, ЭДС наводимая в движущемся поперек магнитных силовых линий проводнике вычисляется по формуле, выведенной при допущении «скольжения» проводника по двум другим проводникам, ему перпендикулярным, В результате этого площадь контура, как бы, увеличивается и формула для ЭДС выглядит следующим образом (для однородного поля, проводника длинй L и скорости проводника V перпендикулярной вектору индукции B):

E = V B L

Формула, выведенная на основании лоренцева механизма (разделение зарядов под действием лоренцевой силы) выглядит абсолютно так же. В то же время, очевидно, что реальным механизмом наведения ЭДС в этом случае является именно лоренцев.

8. Многообмоточный униполярный генератор с неоднородным вращающимся магнитом и неподвижной катушкой

Конструкция этого генератора является практическим приложением выводов, сделанных в предъидущих разделах.

Так как ЭДС, наводимая в полукольцах имеет одинаковую полярность, то соединив полукольца встречно можно увеличить ЭДС в N раз, где N - число полуколец.

При встречном соединении полуколец их концы должны быть соединены проводниками, в которых также может наводиться ЭДС. Самый короткое расстояние между противоположными концами полуколец проходит через центр магнита (Рис. 17), но на этих соединительных проводниках также наводится ЭДС (см. Рис. 11 и 12), которая может складываться или вычитаться из ЭДС, наводимой в полукольцах (в зависимости от ее полярности). Для определения полярности сигналов в полукольцах и радиальных проводниках был проведен эксперимент, в котором оба этих элемента были подсоединины ко входам двухлучевого осциллографа.

Рис. 17

Осциллограммы сигналов 1-3 (полувиток) и 1-2 (радиальный проводник) приведены на Рис. 18.

Рис. 18

Таким образом, сигналы находятся в противофазе и соединение полуколец, приведенное на Рис. 15 позволяет не только получить многообмоточный генератор но и увеличить величину ЭДС за счет радиальных проводников. Также, удаление радиальных проводников от плоскости магнита (или их магнитное экранирование) может, при необходимости, уменьшить их вклад в создание ЭДС.

Основываясь на «модифицированном принципе Ленца», можно объяснить прочему ЭДС в проводниках 1-3 и 1-2 наводится в противофазе. Согласно анализу, приведенному в предъидущих разделах, в момент времени, когда расположение проводников соответствует показанному на рис. 14 (положение А), циркуляция магнитного поля в месте расположения обоих проводников максимальна и ЭДС в этих проводниках, полувитке и радиальном, равна 0. При дальнейшем вращении магнита, полувиток и радиальный проводник смещаются из положения А в положение В (Рис. 18), циркуляция в обоих случаях уменьшается и в проводниках возникает ток, создающий циркуляцию, совпадающую по направлению с циркуляцией поля магнита и компенсирующую это уменьшение. При этом, полярность ЭДС, наводимой в полувитке и радиальном проводнике - противоположная (Рис. 19). Надо отметить, что в данном генераторе полувитки могут быть расположены только с одной стороны катушки - ЭДС при этом не измениться. На основе этих экспериментов был разработана конструкция электрогенератора и был создан и испытан его прототип.

Многовитковый генератор, разработанный на вышеизложенном принципе

Были испытаны макеты такого генератора с разным количеством полувитков. Схема соединения полувитков приведена на Рис. 19.

Рис. 19

Ротор генератора был выполнен из ферритового мангитного кольца 70х30х10 мм с Br = 0.274 Тл, которое было разломано пополам и одна половина перевернута. Фотография ротора приведена на Рис. 19.

Рис. 20

Первый макет содержал 120 полувитков (83 мм в диаметре) и развивал ± 0.6В в режиме холостого хода, что подтверждает идеи, высказанные в разделах 5 и 6 и заложенные в данной конструкции. При этом, ЭДС, наводимая в одном полукольце, была равна ± 3.5 мВ мВ (ЭДС очень сильно зависит от индукции В в месте расположения проводника, составляя ± 7 мВ на поверхности магнита и резко уменьшаясь с увеличением диаметра витка). Помещение катушки в тонкий пермаллоевый цилиндр увеличивало ЭДС холостого хода до ± 0.75В. Максимальная ЭДС наводилась тогда, когда плоскость полуколец совпадала с горизонтальной плоскостью симметрии магнита (середина между двумя торцами магнита, см. Рис. 21). При этом, радиальные соединительные проводники были расположены на расстоянии 45 мм от полколец (полувитков) и, в них наводилась ЭДС ± 1.5 мВ.

По мере углубления магнита в катушку (плоскость полуколец выше плоскости магнита) возрастало влияние радиальных проводников и уменьшалось влияние полуколец и в случае, когда радиальные проводники были приближены вплотную к нижней плоскости магнита, величина ЭДС уменьшилась примерно в 3 раза (до ± 0.15 В) и сигнал приобрел характерную трапециидальную форму.

Установка тонкого пермаллоевого диска между магнитом и радиальными проводниками (ближе к проводникам) практически полностью их магнитно экранирует, наводимая в них ЭДС была практически равна 0, а ЭДС, снимаемая с генератора уменьшалась до 0.48 В. Другой макет, фотография статора которого приведена на Рис. 21, содержал 460 полувитков (ЭДС снимаемая с одного полувитка была равна ± 3.5 мВ мВ).

Рис. 21

Напряжение, развиваемое генератором в режиме холостого хода составило ± 2В с магнитно неэкранированными радиальными проводниками и 1.6 В с экранированными.

Согласно расчетам, при увеличении скорости вращения ротора до 2000 об/мин, размещении обмотки в непосредственной близости от поверхности магнита и замене ферритового магнита на NdFeB, напряжение снимаемое во втором случае будет составлять порядка 40 В.

Здесь надо отметить, что, формально, данная конструкция статора (многовитковая) может быть представлена как две обмотки, содержащие N витков каждая и расположенные на противоположных сторонах двухполюсного магнита. Таким образом (опять же, формально) в каждой обмотке периодически меняется магнитный поток и, таким образом, наводится ЭДС в соответствии с законом Фарадея. Но, как было указано выше, этот подход не отражает истинный механизм работы этого генератора, так как основная ЭДС производится полувитками независимо от других элементов контура, которые могут быть легко исключены из этого процесса, например, магнитным экранированием. В то же время, взаимодействие полувитков с магнитным полем (индукция и механическое взаимодействие) не может быть описано стандартными законами Фарадея и Ампера.

Таким образом, данная конструкция также ставит вопрос о механическом взаимодействии ротора и статора. Тангенциальная сила, создающая в нагруженном статоре реактивный момент должна быть приложена к полувиткам и направлена вдоль проводников (dF¦dl), что противоречит закону Ампера. В этом случае, если следовать закону Ампера, то когда середина полувитка не дошла до средины сектора магнита (циркуляция возрастает) то полувитки растягиваются по радиусу, а после прохождения середины сектора - сжимаются, при этом тангенциальная составляющая отсутствует, а результирующая сила, приложенная к оси равна нулю.

Рис. 22

При прохождении полувитками плоскости раздела магнита, к полувитку прикладываются две радиальные силы, разнесенные на некоторый угол и противоположно направленные. Но и в этом случае крутящий момент не возникает, так как обе эти силы проходят через центр массы статора (его ось). На противоположный полувиток действуют такие же силы, но противоположно направленные. Они радиально сжимают и растягивают полувиток, а результирующая сила, приложеннная к оси также равна нулю (см. Рис. 22).

Радиальные же проводники создают тормозящий момент в соответствии с законом Ампера. Кроме того, конструкция генератора, содержащая один полный виток, жестко закрепленный на роторе и вращающийся вместе с ним, где ЭДС снимается радиальными щеткам (см. выше), вообще не имеет статора и неизвестно, куда должен быть приложен реактивный момент.

Силовое взаимодействие ротора и статора

Для анализа моментов, возникающих в статоре и роторе были проведены эксперименты, где генератор с многовитковым статором был инвертирован и проверен как электромотор. Для проверки силового взаимодействия статора и ротора оба они были подвешены на проволоке (которая выполняла функцию торсиона в крутильных весах) и могли свободно вращаться относительно друг друга. В первом случае радиальные проводники были не экранированы. В следующих экспериментах для избежания влияния радиальных проводников, они были магнитно заэкранированы.

Качественный эксперимент показал, что в обоих случаях при подаче тока в обмотку ротор и статор поворачивались в противоположных напрвлениях, т.е. происходил обмен моментами, что соответствует 3-му закону Ньютона для вращательного движения. Так как сумма моментов в замкнутой системе должна быть равна 0 (УМ = 0), то моменты силы, приложенные к ротору и статору, должны быть равны и противоположны по знаку, и тогда углы поворота ротора и статора также должны быть равны (при одинаковой жесткости торсиона).

Для проверки этого положения был проведен эксперимент по количественному определению моментов сил, приложенных к статору и ротору. Ротор был подвешен на упругой проволке, выполняющей функцию торсиона в крутильных весах, статор же был закреплен неподвижно. Во втором - ротор был закреплен, а статор подвешен на такой же проволоке с такой же длиной (сопротивление скручиванию торсионов должны быть равны). Надо отметить, что в данном случае в создании момента участвовали как полувитки, так и радиальные проводники, которые, как было сказано выше, должны создавать тормозящий момент. Кроме того, конструкция статора содержала вертикальные проводники, соединяющие полувитки с радиальными проводниками. Их влияние на создание ЭДС было проверено в предъидущих экспериментах с единичными проводниками и показало практически полное отсутствие вклада вертикальных проводников в создание ЭДС. Схема экспериментов по измерению крутящего момента ротора и статора представлена на Рис. 23.

Рис. 23

Надо отметить, что, так как данный генератор есть генератор (и, соответственно, мотор) переменного тока, то при свободном повороте ротор останавливается в устойчивом нейтральном положении (момент М = 0), когда разделительная плоскость полувитков совпадает с разделительной плоскостью магнитов (середина полувитков совпадает с серединой магнитов), а максимальный момент (М max) развивается, соответственно, когда середина полувитков лежит в плоскости раздела магнитов, а оба этих положения отличаются на 90 градусов, что также было подтверждено экспериментально. Кроме того, существует второе нейтральное положение, отличающееся от первого на 180 градусов. Оно является неустойчивым (при подаче постоянного тока) и установленный в это положение ротор может повернутся как в одном так и противоположном направлении в направлении первого нейтрального положения. При изменении направления тока эти нейтральные положения меняются местами (собственно, так ведет себя любой асинхронный электромотор). Таким образом, в данном эксперименте допустимые углы поворота не должны превышать 45-50 градусов, что достигается подачей малого тока (0.1-0.2 А) в обмотку статора.

В данном эксперименте ротор устанавливался относительно статора в положение максимального момента, далее подавался постоянный ток (0.06-0.2 А) и измерялись углы отклонения ротра при неподвижном статоре и статора при неподвижном роторе, при этом, ротор и статор поочередно подвешивались на том же торсионе (медная эмалированная проволока диаметром 0.38 мм). Момент сопротивления скручиванию торсиона был прокалиброван и составил 0.078 гс см/град. Схема калибровки приведена на Рис. 24.

Рис. 24

Момент сопротивления проволоки (торсиона) калибровался грузиками m, подвешенными на проволоке диаметром 0.1 мм, пропущенной через блок. Лезвие, упирающееся в ось (снизу ротра) предотвращает поворот ротора, подвешенного на торсионе, в вертикальной плоскости.

...