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

Измеренные углы поворота подвешенного на торсионе ротора и подвешенного на том же торсионе статора для первого макета (120 полувитков) приведены в Табл. 1:

Таблица 1

Момент силы в таблице приведен в граммах силы на сантиметр (техническая система единиц, 1 гс см = 9.8 10^-5 н м). Как видно из таблицы, зависимость угла отклонения от тока - линейная, что, собственно, и следовало ожидать.

Как можно видеть, измеренные значения углов отклонения и моментов меньше для статора, чем для ротора (порядка 67% от момента ротора), что, естественно, может вызывать сомнения, потому, что согласно 3-му закону Ньютона для вращательного движения эти моменты должны быть равны (см. выше).

Это несоответствие, в частности, может быть объяснено методическими ошибками эксперимента, например разным натяжением проволоки (торсиона) при подвешивании магнита (200 г) и статора (60 г), хотя, согласно сопромату, напряжения растяжения и кручения не связаны друг с другом. Кроме того, катушка статора имела отводы, выполненные из тонкой медной проволоки (0.1 мм в диаметре), которые при повороте статора теоретически могла создавать сопротивление.

Для выявления возможных методических ошибок была проведена серия испытаний. В частности, влияние отводов было проверено и было установлено, что ошибка, вызванная изгибом такой проволоки (0.1 мм в диаметре) составляет менее 1 градуса поворота статора. Во всех экспериментах использовалась та же проволока (торсион), на которой поочередно подвешивался ротор и статор. Измерения были многократно повторены в разных условиях (расположение проводников и блока питания относительно статора и т.п.) для определения возможного влияния внешних полей. Результаты измерений, при этом совпали с точностью до ± 10%.

Далее, аналогичные испытания были проведены для второго генератора (460 полувитков) с неэкранированными радиальными проводниками (их вклад в ЭДС - порядка 20%). Точность экспериментов с использованием второго генератора была существенно выше по сравнению с первым (число витков статора в 3.8 раза больше). Качественно и количественно было зарегистрировано явно выраженное существенное превышение момента ротора над моментом статора, при этом момент статора составлял порядка 50% от момента ротора. Была также зарегистрирована зависимость стартового момента от положения плоскости раздела магнита относительно статора (как у любого асинхронного электромотора). Момент был равен 0 в первом (устойчивом) нейтральном положении (см. выше), постепенно увеличивался при повороте ротора, и достигал максимума при повороте ротора на угол порядка 115 градусов относительно устойчивого нейтрального положения.

Рис. 25

В связи с этим, измерения моментов ротора и статора проводились в одинаковых положениях (Рис. 25), когда плоскость раздела магнита (при отсутствии тока в обмотке) совпадала с серединой полувитков (или линия соединяющая середины половинок магнита - полюсов S - N - совпадала с плоскостью раздела полувитков), т.е. ротор был повернут на 90 градусов относительно устойчивого нейтрального положения (см. выше) и при повороте на 115 градусов (моменты максимальны).

Для тока 0.04А моменты статора и ротора составили 2.05 гс см и 4.29 гс см соответственно при 90 градусах и 2.6 и 5.3 гс см - при 115 градусах. Точность измерения углов поворота составляла порядка 1-2 градуса (0.078-0.156 гс см - для момента).

Анализ возможных методических ошибок

Для выяснения влияния внешних магнитных полей на результаты эксперимента было проверено взаимодействие подвешенного статора с возможными внешними полями (ротор был удален). Оказалось, что статор сам поворачивается на малый угол при подаче тока в обмотку. При токе в 1 А статор первого генератора поворачивлся на 1.5-2 градуса (направление зависело от направления тока), что соответствует моменту в 0.11-0.16 гс см.

Далее, на том же торсионе был подвешен статор второго генератора. При токе в 1А угол поворота составил 8.4 градуса и, соответственно, крутящий момент составил 0.66 гс см.

Рис. 26

Теоретически, поворот статора мог быть вызван взаимодействием магнитного поля статора с магнитным полем Земли. Анализ, основанный на законе Ампера показывает, что полувитки и радиальные проводники в однородном магнитном поле не создают крутящего момента, и только вертикальные проводники при прохождении тока создают пару сил, которая может повернуть статор вокруг вертикальной оси (Рис. 26).

Оценка возможного вклада вертикальных проводников в поворот статора, рассчитанная по формуле B = M/Pm (где М - крутящий момент, а Pm - магнитный моменент катушки) показывает, что для создания момента в 0.16 гс см (83 х 35 мм вертикальная рамка, содержащая 120 витков) при токе в 1А внешнее магнитное поле должно достигать примерно 4Гс (горизонтальная и вертикальная составляющие поля Земли равны порядка 0.16 и 0.55 Гс соответственно).

Более точная оценка внешнего магнитного поля была проведена с помощью цилиндрической катушки с горизонтальной осью (Ф = 45 мм, N = 300 витков), подвешенной на том же торсионе, лазера и зекала, закрепленного на торсионе в месте его закрепления на катушке. Измерения показали, что внешнее магнитное поле в лаборатории составляет порядка 3.5 Гс и, таким образом, вышеуказанный поворот статора (без ротора) происходит во внешнем магнитном поле, вызванным индустриальными наводками. Если конструкция статора не имеет вертикальных проводников (они практически не участвуют в создании ЭДС и не существенны для работы генератора), то этот эффект должен отсутствовать.

Надо отметить, что этот эффект никак не влияет на представленные выше результаты измерения моментов ротора и статора, так как для тока 0.1А отклонение, вызванное этим внешним полем, составит всего 0.2 градуса.

Далее, ротор и статор второго генератора были жестко скеплены друг с другом и подвешены на том же торсионе. Угловое отклонение при токе в 1А составило от 1 до 7 градусов, в зависимости от положения статора относительно направления внешнего поля. Это свидетельствует о том, что и в этом случае статор поворачивается во внешнем поле. Т.е. связанная система ротор - статор фактически не поворачивается. Но, если бы существовал нескомпенсированный статический момент, то эта система должна была повернуться. В то же время, надо заметить, что вышеуказанный эффект (различие моментов) проявляется в динамике - поворот ротора относительно статора и наоборот.

Таким образом:

· Данная конструкция генератора, несомненно, работает, полувитки, раположенные по окружности передают ротору крутящий момент и, следовательно, тангенциальную составляющую силы.

· Напряжение, вырабатываемое генератором пропорционально числу полувитков, длине полувитка и скорости изменения магнитной индукции в месте расположения полувитка (dB/dt).

· Проведенные испытания генератора и обращенного генератора (мотора) подтверждают выводы сделанные в предъидущих разделах о необходимости модификации законов Фарадея и Ампера.

· Неравенство моментов ротора и статора не может быть объяснено методическими и инструментальными ошибками эксперимента и этот возможный эффект нуждается в дополнительном исследовании, тем более, что жестко связанная система ротор - статор не поворачивается. Но тут надо отметить неравноправность относительных движений проводника и магнита, отмеченную выше. При этом, в данных экспериментах в первом случае ротор (магнит) поворачивается относительно неподвижного статора и наоборот - во втором.. В разделе 5 на примере униполярного генератора было показано, что движение магнита относительно неподвижного проводника и движение проводника относительно неподвижного магнита - это не одно и то же, в частности, в первом случае лоренцева ЭДС не наводится. Таким образом, можно ожидать подобных эффектов и в данном случае.

· Наблюдаемое самопроизвольное вращение статора может быть объяснено внешними магнитными полями, в которых статор поворачивается (как рамка с током) при пропускании тока через обмотку. Это внешнее поле, вызванное индустриальными наводками, было обнаружено и составило проядка 3.5 Гс. В то же время, это поле, в связи с его малостью, никак не сказывается на результатах измерений.

8. Силовое взаимодействие источников магнитного поля

Если представить магнит как систему проводников с током, создающих циркуляцию магнитного поля (это, вобщем-то, соответствует современным представлениям), то в кольцевом магните существуют две оси циркуляции (Рис. 24), внутренняя и внешняя, создающие взаимно противоположные циркуляции, при этом, границей раздела их магнитных силовых линий является плоскость полюсов.

Рис. 27

Для однородного кольцевого магнита оси циркуляции и полюса являются окружностями (Рис. 27). При этом, оси циркуляции находятся внутри магнита (в данном случае лежат в плоскости, разделяющей магнит пополам), а полюса представляют собой окружности, лежащие сверху и снизу на поверхности магнита. Если диаметр внутреннего отверстия кольцевого магнита уменьшать, то, в пределе, внутренняя ось циркуляции выродтся в точку и плоскость полюсов превратиться в линию, совпадающую с осью диска (цилиндра). Можно видеть, что и у плоского магнита, поляризованного по длине или толщине также существуют две оси циркуляции. Таким образом, у постоянных магнитов разных конфигураций существуют две оси циркуляции, одна из которых вырождается в точку для осесиммеричных цилиндрических магнитов, не содержащих внутренних полостей.

Формально, ось циркуляции (для кольцевого магнита) можно представить, как кольцевой проводник, в котором постоянно течет ток (см. раздел 7). Для кольцевого ферритового магнита этот «ток» составляет порядка 40А.

Силовое взаимодействие магнитов и проводников можно представить как притяжение или отталкивание осей циркуляции. При совпадении направления циркуляции оси притягиваются, при противоположных направлениях - отталкиваются.

Также, магнит и проводник притягиваются или отталкиваются как два проводника с током, что и подтверждается экспериментом (Рис. 28). Таким образом, два источника магнитного поля притягиваются, если они создают циркуляции магнитного поля, направленные в одну сторону или отталкиваются при противоположных направлениях циркуляции (Рис. 28).

Рис. 28

Это же относится к притяжению двух постоянных магнитов. На рис. 29 приведен пример притяжения двух постоянных дисковых магнитов.

Рис. 29

У дисковых магнитов существует, также второе положение, при котором оси циркуляции двух взаимодействующих магнитов максимально совмещены - притяжение противоположных полюсов. Нетрудно видеть, что и в этом случае оси циркуляции также максимально совмещены. В случае двух кольцевых магнитов из которых один (меньший) помещен внутрь отверстия в большем кольцевом магните, меньший магнит притягивается к внутренней поверхности большого кольца в полном соответствии с изложенным принципом (Рис. 30).

Рис. 30

То же относится к магнитам с любой конфигурацией магнитного поля. Одним из примеров является силовое взаимодействие двух проводников с током.

В случае однородного магнитного поля ось циркуляции находятся в бесконечности. Этот случай может быть представлен как наложение двух взаимопротивоположных циркуляций с осями расположенными в бесконечности справа и слева от взаимодействующего с этим полем магнита (проводника). Если вектор В направлен вертикально в плоскости рисунка (Рис. 30), то циркуляция, создаваемая левой осью (находящейся в бесконечности) направлена против часовой стрелки, а циркуляция, создаваемая правой осью - по часовой стрелке.

Рис. 31

Тогда на источник, создающий циркуляцию магнитного поля будет действовать сила направленная в сторону оси соответствующей циркуляции. В случае рамки с током, она будет поворачиваться так, что ее плоскость станет перпендикулярна вектору В и растягиваться в этой плоскости. В общепринятом изложении, в данном случае на проводники рамки действует сила Ампера и вектор магнитного момента р принимает положение параллельное вектору В. Но, как можно видеть, и этот случай полностью вписывается в вышеизложенный принцип взаимодействия магнитных полей.

Таким образом, принципы взаимодействия двух источников магнитного поля могут быть сформулированы следующим образом:

Сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) источников магнитного поля, которые создают его циркуляцию, направлена в сторону осей циркуляции и, в случае притяжения, стремится их совместить.

Это относится к единичному элементу оси циркуляции (в частном случае, к элементу проводника с током). Вектор силы взамодействия перпендикулярен к элементу оси (проводника). В случае непараллельности плоскостей осей циркуляции возникает крутящий момент, стремящийся совместить оси в одной плоскости. Поворот и перемещение рамки с током в магнитном поле является частным случаем, в котором каждый злемент рамки участвует в этом процессе.

Таким образом, источники магнитного поля, находящиеся в свободном пространстве, поворачиваются до совмещения осей циркуляции в одной плоскости, в положение, когда циркуляции направлены в одну сторону и, далее, стремяться совместить оси циркуляции.

Так как постоянные магниты содержат две разнесенные в пространстве оси циркуляции с противоположным направлением циркуляции магнитного поля, то вещество магнитов находится в растянутом напряженном состоянии. Такой магнит имеет (в ближней зоне) два выраженны магнитных момента, направленных в противоположные стороны. В дальней зоне магнитное поле сглаживается (магнитные моменты складываются) и поле кольцевого магнита становится похожим на поле шарового магнита с полюсами на оси.

Постоянные магниты существенно отличаются от кольцевого проводника с током, у которого есть только одна ось циркуляции. Кольцевой проводник (виток) с током может иммитировать только шаровые и цилиндрические магниты, где внутренняя ось циркуляции вырождена в точку.

Полюса постоянного магнита находятся на поверхности, разделяющей области циркуляции (поверхность перемены направления циркуляции).

В случае, когда один из источников имеет однородное магнитное поле (ось циркуляции находится в бесконечности), линейные силы отсутствует (скомпенсированы), но создается крутящий момент, стремящийся установить оси циркуляции параллельно друг другу (как стрелка магнита в поле Земли).

Вышеуказанные положения и выводы относятся к статическому взаимодействию (фарадеев механизм), хотя случай притяжения двух проводников (закон Ампера) может быть, также, истолкован как проявление лоренцева механизма (см. выше).

Основные выводы

Было показано, что ряд общепринятых законов и положений электромагнетизма нуждается в уточнении и дополнении.

Модифицированный принцип Ленца может быть сформулирован следующим образом: «Ток, создаваемый наводимой в проводнике ЭДС вызывает циркуляцию магнитного поля, которая стремиться скомпенсировать изменение циркуляции в месте расположения проводника».

Принцип механического взаимодействия источников магнитного поля может быть сформулирован следующим образом: «Сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) источников магнитного поля, которые создают его циркуляцию, направлена в сторону осей циркуляции и, в случае притяжения, стремится их совместить».

В соответствии с вышеизложенным принципом, возможно наведение ЭДС в тангенциальных проводниках («тангенциальная индукция»), когда вектор скорости относительного движения магнитное поле - проводник совпадает с направлением проводника. В этом случае, согласно общепринятым формулам электромагнетизма, такие проводники при протекании по ним тока не должны создавать крутящий момент.

Был испытан ряд электрогенераторов, используюших эффект «тангенциальной индукции». Было показано, что эти электрогенераторы могут быть обращены и использованы в качестве электромоторов.

Заключение

Проведенная серия экспериментов по исследованию взаимодействия движущегося (вращающегося) источника постоянного магнитного поля с проводниками позволила 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 электрических машин, использующих этот принцип. Прототипы этих машин были созданы и испытаны автором.

Литература

1. Mьller, F.J., "Unipolar Induction", Galilean Electrodynamics, Vol. 1, p. 27, (1990).

2. Jorge Guala-Valverde and Pedro Mazzoni, “The Unipolar Dynamotor: A Genuine Relational Engine”, APEIRON Vol. 8 Nr. 4, October 2001.

3. Thomas E. Phillips, Jr., “Observations of the Marinov Motor”, APEIRON Vol.5 Nr. 3-4, July - October 1998

4. J.P. Wesley, “The Marinov Motor, Notional Induction without a Magnetic B Field”, APEIRON Vol.5 Nr.3-4, July - October 1998.

5. И.В. Савельев. “Курс общей физики”, "Наука" 1978г.

6. Б.М. Яворский, А.А. Детлафф. “Справочник по физике”, "Наука" 1979г.

7. Э. Парселл, «Электричество и магнетизм», Берклеевский Курс Физики, том II, Наука, 1983.

8. Г.С. Ландсберг, «Оптика», Наука, 1976.

9. З.И. Докторович, «Несостоятельность теории электоромагнетизма и выход из сложившегося тупика», Москва, 1994.

10. Кулигин В.А., Кулигина Г.А., Корнева М.В. Кризис релятивистских теорий, Часть 6 (Магнитные взаимодействия движущихся зарядов). НиТ, 2001.

11. “Magnetic Field of a Hollow Cylinder”, Waterloo Maple Inc., 1998.

12. Андре Анго, «Математика для электро-и радиоинженеров», Наука, 1965.

13. Philip Gibbs and Andre Geim, “Is Magnetic Levitation Possible?”, March 1997.

14. Eric Maslen, “Magnetic Bearings” University of Virginia, Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering, Charlottesville, Virginia, 2000.

15. G. Ivtchenkov, “Tangential induction dynamoelectric machine and electromotor”, US Patent Provisional Application No 60/593445, Jan. 14, 2005.

Размещено на Allbest.ru