Устройство для проверки эффекта возбуждения постоянной э.д.с. в проводнике, помещённом в поперечное вращающееся магнитное поле - RU2684163C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к физике электромагнетизма и предназначено для проверки научной гипотезы возбуждения постоянной электродвижущей силы в проводнике, помещенном в поперечное к нему вращающееся магнитное поле постоянного магнита.

Известно возбуждение вихревого электрического поля вокруг траектории движущегося в пространстве прямого постоянного магнита. Это было опытно установлено автором и описано в его работах [1-3] по аналогии с возбуждением вихреворго магнитного поля вокруг траектории движущегося электрического заряда, что общеизвестно с давних времен. Это открытие автора позволило уточнить второе уравнение Максвелла дополнительным слагаемым

, и оно приобрело следующий вид:

где v - скорость движения постоянного магнита с индукцией B_O.

При рассмотрении парадокса Фарадея (вращение проводящего диска с радиальным током вместе со скрепленным с ним магнитом - см. рис. 1) возникает представление о так называемом «безопорном» движении замкнутой механической системы. Если третий закон Ньютона соблюдается, то остается считать, что противодействующая сила по отношению к движущей диск с магнитом силе Лоренца опирается на само магнитное поле, считающееся при этом неподвижным. Из этого можно сделать предположение (научную гипотезу) о том, что при использовании вращающегося магнитного поля, создаваемого вращающимся постоянным магнитом с обращенными друг к другу магнитными полюсами, в проводнике, размещенном в таком магнитном поле ортогонально к нему, то есть коллинеарно оси вращения магнита, будет возникать постоянная Э.Д.С., величина и знак которой определяется угловой скоростью ω вращения магнита и направлением его вращения.

Проверка этой гипотезы опытным путем возможна на основе заявляемого устройства, не имеющего аналога в известной научно-технической литературе.

Целью заявляемого устройства является обеспечение возможности проверки новой научной гипотезы о возбуждении постоянной Э.Д.С. в проводнике, помещенном в поперечное вращающееся магнитное поле постоянного магнита.

Эта цель достигается в устройстве для проверки эффекта возбуждения постоянной Э.Д.С. в проводнике, помещенном в поперечное вращающееся магнитное поле, состоящем из тороидального магнитопровода, приводимого во вращательное движение с угловой скоростью о, внутри которого закреплены к нему диаметрально расположенные два одинаковых постоянных магнита прямоугольной формы, обращенные друг к другу разноименными магнитными полюсами, а в зазор между магнитными полюсами с магнитной индукцией В и его протяженностью L помещен проводник, параллельно оси вращения магнитов (то есть ортогонально векторам магнитной индукции), концы которого подключены к измерительному прибору, например, микроамперметру, фиксирующему возникающий электрический ток J, величина которого пропорциональна произведению В ω L, а знак определяется направлением вращения магнитов по правилу «правой руки».

Примечание: В ладонь правой руки входит вектор магнитной индукции от полюса N к полюсу S, большой палец указывает направление вращения магнитопровода с парой прямых постоянных магнитов, тогда возникающий в проводнике постоянный ток направлен вдоль всех остальных пальцев ладони.

На рис. 1 рассмотрен макет, иллюстрирующий парадокс Фарадея, который понятен и не требует специальных пояснений. На рис. 2 изображена схема заявляемого устройства, оно содержит следующие элементы:

1 - тороидальный магнитопровод высотой L. Его вращение указано фигурной стрелкой,

2 - пару одинаковых прямых постоянных магнитов прямоугольной формы, закрепленных диаметрально к телу тороидального магнитопровода 1 и обращенных друг к другу разноименными магнитными полюсами; между последними образуется магнитный зазор с магнитной индукцией B в нем и высотой этого зазора L,

3 - измерительный проводник, размещенный в магнитном зазоре коллинеарно оси вращения магнитов 2 с магнитопроводящим тороидом 1 и ортогонально вектору магнитной индукции В,

4 - измерительный микроамперметр, регистрирующий возникающий постоянный ток J.

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

В теории электромагнетизма применительно к оптике известен эффект Фарадея. Продольный магнитооптический эффект Фарадея - магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно-поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10¹¹-10¹² Гс [4, 5]. Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными (n₊ и n_-). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны λ, прошедшего в среде путь

, поворачивается на угол Ψ:

В области не очень сильных магнитных полей разность (n₊ - n_-) линейно зависит от напряженности магнитного поля, и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением:

где ξ - постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества, длины волны света и температуры, Н - напряженность магнитного поля.

Также известен обратный эффект Фарадея [6-8], первоначально названный автором как «Свето-магнитный эффект», заключающийся в возникновении униполярного намагничивания некоторых прозрачных диэлектриков под действием плоской волны когерентного монохроматического света с круговой или эллиптической поляризацией, причем абсолютная величина вектора намагничивания J является линейной функцией частоты колебаний ν и плотности потока энергии u света, а также определяется структурой поляризации последнего (разностью фаз δ между двумя взаимно ортогональными компонентами световой волны) и физическими свойствами используемого диэлектрика (оцениваемыми коэффициентом k), а направление вектора намагничивания либо совпадает с направлением распространения электромагнитных колебаний, либо противоположно ему в зависимости от направления вращения плоскости поляризации света; так что намагниченность J прозрачных диэлектриков вычисляется согласно выражения:

В более ранней работе автора [9] рассмотрена теория намагничивания материалов (диэлектриков и металлов) под действием поперечного к вектору намагничивания вращающегося электрического поля, так что Свето-магнитный эффект (Обратный эффект Фарадея) является частным случаем намагничивания во вращающихся электрических полях на основе которого создана теория трансформации поляризации электромагнитного излучения в анизотропных средах и приведены примеры ее практического применения в технике и астрофизике [10-22].

На основе рассмотрения и сравнения физических закономерностей можно сделать вывод о действии прямого и обратного эффектов, таких как эффект Фарадея и обратный эффект Фарадея (Свето-магнитный эффект), намагничение ферромагнетиков при их вращении - эффект Барнетта и обратный ему эффект Эйнштейна - де Хааза - появление вращателього момента в ферромагнетике при его намагничивании, движение проводника с током в поперечном магнитном поле по правилу «левой руки» и возбуждение в движущемся в поперечном магнитном поле проводнике Э.Д.С. индукции по правилу «правой руки» согласно закона об электромагнитной индукции Фарадея применительно к системам «двигатель-генератор» и т.д. Таким образом, может оказаться справедливым утверждение, что намагничение материалов во вращающихся электрических полях, как прямой эффект, допускает возникновение электрической поляризации в проводнике (возникновении в нем постоянной Э.Д.С.) при действии на него вращающегося магнитного поля, вектор индукции В которого лежит в плоскости (вращается в ней) ортогональной проводнику или группе коллинеарно расположенных проводников в магнитном зазоре длиной L (рис. 2), как обратный эффект.

Простейшее устройство, позволяющее проверить обнаруживаемый эффект, показано на рис. 2. В отличие от рассмотрения «парадокса Фарадея» - см. рис. 1, для которого не действует принцип взаимности движения, то есть вращение диска относительно неподвижного магнитного поля возбуждает Э.Д.С. между осью вращения диска и его кромкой, а при вращении магнита относительно неподвижного диска, в последнем такой Э.Д.С. не возникает, а в данном устройстве (рис. 2) магнитное поле ВРАЩАЕТСЯ в магнитном зазоре (вместе с ним), то есть имеет место градиент напряженности магнитного поля по углу вращения в каждый момент времени, что отсутствует при рассмотрении вращения магнита относительно неподвижного диска, как в опыте Фарадея с однородным магнитным полем, пронизывающим в целом весь диск (отсутствует угловой градиент).

По аналогии с движением электрического заряда, образующим появление вихревого магнитного поля вокруг траектории движения заряда (электрического тока в проводнике), возникает вихревое электрическое поле вокруг траектории движения постоянного прямого магнита, что доказано автором экспериментально [1-3]. Это также есть прямой и обратный эффекты, связывающие закономерности электромагнетизма. Такая связь также имеет место, например, при рассмотрении электромагнитных волн. Поэтому гипотеза о возбуждении Э.Д.С. в проводнике, помещенном в поперечное ему вращающееся магнитное поле представляется вполне реальной, что и подлежит проверке.

Для повышения возникающей в проводнике 3, помещенном в магнитном зазоре между двумя магнитами 2 длиной L Э.Д.С. величиной, пропорциональной произведению В со L, можно использовать не один проводник, а группу проводников в виде катушки, рабочие части которой располагают в магнитном зазоре бесконтактно относительно магнитных полюсов, вращающихся вместе с тороидальным магнитопроводом 1, который обеспечивает полное отсутствие взаимодействия магнитного поля с остальными частями такой катушки, сосредоточивая магнитное поле только в магнитном зазоре. Тогда результирующая Э.Д.С. будет пропорциональна произведению n В ω L, где n - число витков в катушке. Поскольку такая катушка неподвижна, то для вращения магнитопроводящего тороида 1 вместе с двумя прямыми магнитами 2 следует использовать, например, ременную передачу между тороидом 1 и приводным двигателем (не указан на рис. 2), а сам тороид закрепить между тремя роликами вращения, расположенными под углами 120° к тороиду 1 (также не указанными на рис. 2), что тривиально. Еще большего результата можно добиться использованием второго такого же магнитопроводящего тороида с парой магнитов, расположенного в той же плоскости так, что вторая половина рабочих витков катушки будет находиться внутри магнитного зазора второго такого же устройства, но вращающегося в противоположном направлении для удвоения возбуждаемой Э.Д.С.

Поскольку величина возникающей Э.Д.С. в проводнике (или катушке) определяется сомножителем ω - угловой скоростью вращения магнитного поля, то добиться существенного увеличения этой Э.Д.С. можно, применяя не механическое вращение магнитов, а с помощью неподвижно расположенных двух пар электромагнитов (квадруполя), образующих два ортогонально ориентированных магнитных поля в области их взаимодействия, на обмотки которых подают переменные напряжения частоты ω/2π с одинаковой амплитудой, но со сдвигом фаз на π/2, а именно напряжения:

Возможны и другие модификации заявляемого устройства, однако простейшим по выполнению макета является устройство, представленное на рис. 2.

Немаловажно понять, что происходит в металле проводника под действием поперечного вращающегося магнитного поля. Как известно, в металлах имеются свободные электроны. Так, в меди концентрация свободных электронов наиболее высокая, что определяет высокую электропроводность меди, и составляет

. Согласно теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Эти свободные электроны хаотически движутся в различных направлениях с большой тепловой скоростью v_T ≈ 10⁵ м/с, на много порядков превышающей скорость v_D ≈ v_T дрейфового движения электронов в форме электрического тока в проводнике при приложении к нему электрического поля с напряженностью поля Е. Скорость дрейфа электронов, как известно, дается формулой:

где

кул. - заряд электрона, S - сечение проводника, и по этой формуле для медного проводника сечением 1 мм², по которому течет ток J=10 А, дает для средней скорости v_D упорядоченного движения электронов значение 7,35 мм/с. Сила Лоренца, действующая на электрон и прямо пропорциональная его скорости и угла ее вектора по отношению к вектору магнитной индукции В вращающегося магнитного поля при его дрейфовом движении ничтожно мала из-за малости этой дрейфовой скорости. Но сила F_T Лоренца, действующая на электроны, движущиеся хаотически с тепловой скоростью v_T порядка 10⁵ м/с, пропорциональна произведению вида:

где угол α - случайное равновероятное значение в диапазоне 0≤α≤4π стерадиан. Отсутствующий сомножитель в выражении (7) имеет размерность длины свободного пробега электрона при его хаотическом движении. Эта сила F_T создает упорядоченную ориентацию движения электронов, частично нарушая их хаотичность тем интенсивнее, чем больше индукция В, и часть которых при своем увлекаемом магнитным полем движении создает электрическое поле, ортогональное плоскости вращения магнитного поля.

Другим вероятным объяснением эффекта является образование тороидоподобного вихревого электрического поля, так что вблизи оси вращения магнитного поля электрические силовые линии вихря однонаправлены, что и создает Э.Д.С. в проводнике.

Заявляемое устройство позволит установить новое физическое явление, что расширит пределы наших знаний и окажется практически применимым в технике и научном эксперименте. Данный эффект является обратным по отношению к вращательному электродинамическому эффекту [9] и эквивалентен эффекту униполярной индукции [1], установленным автором опытным путем.

Литература

1. О.Ф. Меньших, Способ возбуждения униполярной индукции, Internet, сайт tele-conf, XIII Международная конференция «Актуальные проблемы современной науки», секция №5, «Проблемы физики…», опубл. 19.02.2014;

2. О.Ф. Меньших, Бесколлекторный генератор постоянного тока, Internet, сайт «База знаний», опубл. 25.10.2013;

3. О.Ф. Меньших, Генератор постоянного тока, Патент РФ №2528435, опубл. в №26 от 20.09,2014;

4. Эффект Фарадея, Физическая энциклопедия, т. 5, стр. 275.

5. Я.Б. Зельдович, А.Л. Бучаченко, Е.Л. Франкевич, Магнито-спиновые эффекты в химии и молекулярной физике, УФН, 1988, т. 155, вып. 1;

6. О.Ф. Меньших, Свето-магнитный эффект, заявка на открытие, М., справка №715 от 30.06.1965, рег. №32-OT- 4540; а также Явление намагничивания материалов во вращающихся электрических полях, Заявка на открытие №32-ОТ-3703 от 15.04.1964, Москва;

7. П. Першан, Ван-дер-Циль, Мальмстрем, Обратный эффект Фарадея, Доклад на IV Международной конференции по квантовой электронике в Пуэрто-Рико 28-30.06.1965, а также в сб.статей «Нелинейная оптика», обзорная статья Р.В.Хохлова. 1966, СО АН СССР, и УФН, 88, №1, с. 177, 1966;

8. Physics of Quantum Electronics, ed. Kelley, Lax, Tannenwald, 1966, p. 3, Pershan, v.d. Ziel,

, а также Phys. Rev. Lett., 15, 190, 1965;

9. О.Ф. Меньших, Вращательный электродинамический эффект, заявка на открытие, М., справка №708 от 29.05.1965, рег. №32-ОТ-4488, Новосибирский государственный университет, переоформлена и доработана автором в 1975 г. - заявка на открытие, М., рег. №32-ОТ-9012 от 25.06.1975 (ОКБ технической кибернетики ЛПИ им. М.И. Калинина);

10. О.Ф. Меньших, Закон сохранения поляризации электромагнитных волн, заявка на открытие рег. № ВВ-155, МААНО, Москва, приоритет от 17.11.2003;

11. О.Ф. Меньших, Закон сохранения поляризации электромагнитных волн, Internet, сайт «База знаний», опубл. 27.07.2013;

12. О.Ф. Меньших, Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны, доклад на V Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова АН СССР, М., 22.04.1975;

13. О.Ф. Меньших, Способ генерирования электрических колебаний и устройство для его реализации, Авторское свидетельство СССР №1380476, 1983, от ГОИ им. С.И. Вавилова;

14. О.Ф. Меньших, Исследование оптических свойств веществ (кристаллов) на основе обратного эффекта Фарадея, доклад на Всесоюзном симпозиуме по спектроскопии, Новосибирский научный центр СО АН СССР, 06.09.1966;

15. О.Ф. Меньших, Детектор амплитудно-модулированных колебаний, Патент РФ №2287891, опубл. в бюлл. №32 от 20.11.2006;

16. О.Ф. Меньших, Устройство для измерения параметров диэлектриков, Авторское свид. СССР №1371223, 1978;

17. О.Ф. Меньших, Устройство для измерения «красного смещения» плоско поляризованного когерентного излучения, Патент РФ №2276347, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006;

18. О.Ф. Меньших, Устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах, Патент РФ №2276394, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006;

19. О.Ф. Меньших, Устройство для диагностики оптически активных сред, Авторское свид. СССР №521455,1969;

20. О.Ф. Меньших, Метод прецизионного измерения малых углов вращения плоскости поляризации когерентного излучения, изд. «Наука», Оптика и спектроскопия, №5, 1970:

21. О.Ф. Меньших, Система автоматической подстройки частоты рассредоточенных лазеров, Патент РФ №2490788, опубл. в бюлл. №23 от 20.08.2013;

22. О.Ф. Меньших, Система АПЧ рассредоточзнных лазеров, Доклад, Allbest.ru, сайт «База знаний», 10.03.2014.

Реферат

Изобретение относится к физике электромагнетизма и предназначено для проверки гипотезы возбуждения постоянной электродвижущей силы в проводнике, помещенном в поперечное к нему вращающееся магнитное поле постоянного магнита. Устройство для проверки эффекта возбуждения постоянной Э.Д.С. в проводнике, помещенном в поперечное вращающееся магнитное поле, состоит из тороидального магнитопровода, приводимого во вращение с угловой скоростью ω, внутри которого закреплены к нему диаметрально расположенные два одинаковых постоянных магнита прямоугольной формы, обращенные друг к другу разноименными магнитными полюсами. В зазор между магнитными полюсами с магнитной индукцией В и с протяженностью L помещен проводник, параллельно оси вращения магнитов (то есть ортогонально векторам магнитной индукции). Концы проводника подключены к измерительному прибору, например микроамперметру, фиксирующему возникающий электрический ток J, величина которого пропорциональна произведению В ω L, а знак определяется направлением вращения магнитов по правилу «правой руки». Технический результат состоит в обеспечении возможности проверки гипотезы о возбуждении постоянной Э.Д.С. в проводнике, помещенном в поперечное вращающееся магнитное поле постоянного магнита. Автор заявки не претендует на признание его авторства нового физического эффекта, а лишь предлагает устройство для возможного обнаружения этого эффекта. 2 ил.

Формула