Способ возбуждения униполярной индукции

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ УНИПОЛЯРНОЙ ИНДУКЦИИ

О.Ф. Меньших

Настоящая работа относится к разделу физики об электромагнитной индукции в развитие второго уравнения Максвелла, выражающего закон Фарадея, и может быть использовано при построении генерирующих постоянный ток устройств - многовитковых униполярных машин без скользящих контактов.

Широко известно явление электромагнитной индукции - движение под действием возникающей Лоренцевой силы проводника с током, помещённого в скрещенное магнитное поле или возбуждение э.д.с. индукции в проводнике, движущимся в скрещенном магнитном поле по отношению к вектору движения проводника [1-3]. Векторные поля напряжённости электрического поля E, напряжённости магнитного поля H, векторов электрической индукции D = е_О Е, где е_О - электрическая проницаемость вакуума, и магнитной индукции В связываются между собой и с плотностью электрического заряда с и плотностью электрического тока j, которые рассматриваются как источники, на основе известных уравнений Максвелла [4-6]:

div E = с / е_o, Закон Гаусса для E (1)

rot E = - ? B /? t, Закон Фарадея (2)

div B = 0, Закон Гаусса для В (3)

rot B = j / е_oc² + (1/c²)·?E/?t, Теорема о циркуляции В (4)

где c - электродинамическая постоянная (скорость света в вакууме).

В частности, второе уравнение (2) говорит о том, что ротор (интеграл по замкнутому контуру) электрического поля Е равен потоку, то .есть скорости изменения во времени магнитного поля B = В(t) сквозь этот контур.

Также, как движение электрического заряда образует вокруг траектории его движения вихревое магнитное поле, как это следует из четвёртого уравнения Максвелла, движение магнитного поля с постоянной во времени индукцией В_O = const (t), например, движение постоянного магнита, вызывает возникновение вихревого электрического поля вокруг траектории движения магнитного поля, что требует введения дополнительного члена во второе уравнение Максвелла в форме:

rot E = - ? B /? t + div (v _* B_O). (5)

Поскольку магнитная индукция B_О в этом случае не изменяется во времени, то имеем ? B / ? t = 0, однако индукция B_О движется в координатном пространстве (вместе с движением постоянного магнита) с постоянной скоростью v, и тогда уравнение (5) в соответствие с положениями векторной алгебры принимает вид:

rot E = div (v _* B_O) = B_O div v + v grad B_O = v grad B_O (6)

Выражение (6) справедливо, поскольку

div v = (? v_Х /? х) + (? v_У /? y) + +(? v_Z /? z) = 0

при постоянной скорости магнитного поля с индукцией B_O

при произвольном движении постоянного магнита вдоль некоторой прямой (или кривой) в пространстве декартовой системы координат (x, y, z), что нашло своё экспериментальное подтверждение [7] в опыте, представленном на рисунке.

униполярный магнит тороидальный индукция

Целью работы является возбуждение электрической униполярной индукции в прямой протяжённой катушке, соосно которой движется тороидальный постоянный магнит, намагниченный по его торцам, с постоянной скоростью в заданном направлении

Эта цель достигается в заявляемом способе возбуждения униполярной индукции, состоящем в том, что вдоль прямой протяжённой катушки из проводника продвигают соосно этой катушке постоянный магнит, который выполняют в форме тороида из ферромагнитного материала, который намагничен по его торцевым плоскостям, а протяжку этого магнита осуществляют с постоянной скоростью в одном из двух возможных направлений.

Замечание: Вместо прямой протяжённой катушки с проводником, может использоваться катушка, продольная ось которой представляет собой окружность радиуса R, то есть тороидальная катушка, относительно которой соосно вращается тороидальный магнит с постоянной угловой скоростью

щ = v / R

в заданном направлении.

Достижение цели изобретения по данному способу объясняется возникновением вихревого электрического поля вдоль траектории движения постоянного магнита с постоянной скоростью v, вектор магнитной индукции В_О которого коллинеарен оси вихря возбуждаемого электрического поля, которое, в свою очередь, коллинеарно расположению витков указанной прямой протяжённой катушки, в результате чего в проводнике последней возникает сила, движущая свободные электроны проводника, что и приводит к возбуждению постоянной э.д.с. на концах катушки.

Величина этой э.д.с. пропорциональна вектору магнитной индукции B_О, скорости протяжки v постоянного магнита в заданном направлении вдоль оси прямой протяжённой катушки с проводником и общей длиной проводника катушки, охваченного магнитным полем в каждый данный момент времени.

На указанном рисунке представлен проделанный заявителем опыт, подтвердивший данный способ, включающий следующие элементы:

1 - прямая протяжённая катушка из проводника,

2 - тороидальный постоянный магнит, намагниченный по его торцам,

3 - измерительный гальванометр.

Рассмотрим операционную сущность заявляемого способа на примере работы опытного устройства, представленного на рисунке.

Внутри намагниченного по торцам ферромагнитного тороида 2, как видно из рисунка, магнитное поле практически коллинеарно оси катушки 1 и охватывает группу витков катушки с числом витков, равным N и с длиной каждого из витков, равной 2 р r, где r - радиус витка катушки 1.

При этом полная длина проводника катушки, находящаяся внутри тела тороидального магнита (между его полюсами) равна L = 2 р r N. На самом деле и те части витков катушки 1, которые расположены за пределами полюсов вне магнита 2 и вблизи них, также находятся во взаимодействии с магнитным полем магнита 2, что видно из выражения (6), определяемого градиентом магнитного поля grad B_O.

Поэтому согласно закону Фарадея об электромагнитной индукции с учётом модифицированного второго уравнения Максвелла в этой части витков катушки возникает э.д.с.

Е = k В_О L v,

где k - некоторое безразмерное число, определяемое экспериментально и учитывающее краевые эффекты взаимодействия движущегося магнитного поля с витками катушки 1.

В случае круговой катушки в форме тороида с радиусом оси симметрии катушки, равном R, получаем выражение для э.д.с. индукции в виде:

Е = 4 р² k В_О r N R f. (7)

где f = щ / 2р = const (t) - частота вращения (об/с) тороидального магнита вокруг оси тороидальной катушки с проводником.

В рассматриваемом эксперименте следует обратить внимание на действие переменных во времени составляющих магнитного поля B_O на краевые части витков катушки, в которые это поле одновременно вдвигается и выдвигается. Как известно из немодифицированного второго уравнения Максвелла (2), вдвижение магнита в соответствующую часть катушки с проводником вызывает появление в ней э.д.с. одного знака полярности, а при выдвижении магнита из другой соответствующей её части катушки - э.д.с. противоположного знака. Учитывая это обстоятельство и отмечая, что при движении магнита вдоль оси катушки одновременно на одной части этой катушки имеет место вдвижение магнитного поля в неё, а в другой её части, наоборот, выдвижение магнитного поля магнита, можно сделать очевидное заключение, что результирующая э.д.с. возбуждаться не будет от действия члена - ? B /? t, отвечающего известному второму уравнению Максвелла. Это означает, что согласно второму уравнению Максвелла в рассматриваемом опыте на концах катушки 1, казалось бы, не должна возбуждаться э.д.с. индукции из-за взаимной нейтрализации возникающих парциальных э.д.с., одинаковых по величине и противоположных по знакам полярности.

Однако произведённый заявителем эксперимент достоверно показал наличие индуцируемых э.д.с. на концах катушки при движении тороидального магнита вдоль оси катушки, притом разной полярности в зависимости от направления движения магнита. Измеренная величина э.д.с. явно зависела от скорости протяжки магнита v, что согласуется с выражением

Е = k В_О L v.

Это и доказывает необходимость модификации второго уравнения Максвелла в форме общего выражения (5).

Выполняя катушку 1 в форме тороида и вращая тороидальный магнит 2 по окружности соосно с тороидальной катушкой, можно получить генерацию постоянного тока принципиально новым способом. В этом случае ротором генератора выступает вращающийся магнит, а статором - указанная конфигурация катушки с проводником, закреплённая неподвижно. Для повышения напряжения в таком генераторе постоянного тока тороидальную катушку можно выполнить многослойной, то есть с большим числом витков.

Заявляемый способ представляет интерес для теоретической физики магнетизма и может быть применён при разработке устройств генерирования постоянного тока без обычно используемых выпрямительных различного рода устройств.

Литература

1. M.Faradey, Experimental Researches in Electricity, London, 1841;

2. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982;

3. Дж.Джексон, Классическая электродинамика, пер. с англ., М., 1965;

4. Л.Д.Ландау., E.M.Лифшиц., Теория поля, 7 изд., M., 1988;

5. В.И.Фущич., А.Г.Hикитин., Симметрия уравнений Максвелла, К., 1983;

6. M.M.Бредов., В.В.Румянцев, И.H.Tоптыгин., Классическая

электродинамика, M.,1985;

7. О.Ф.Меньших, Бесколлекторный генератор постоянного тока, Internet,

Размещено на Allbest.ru