магнитопараметрический генератор

Формула изобретения

Магнитопараметрический генератор, состоящий из двух магнитно связанных тонкостенных цилиндрических и соосно расположенных постоянных магнитов из исследуемого ферромагнитного вещества, один из которых - ротор - приводится во вращательное движение электродвигателем, а другой - статор - выполнен в виде подковообразной структуры, на магнитопроводе которой расположена катушка индуктивности, образующая вместе с присоединенным к ней конденсатором переменной емкости колебательный контур, настраиваемый на частоту = D/2md, где - частота вращения цилиндрического магнита-ротора с диаметром D, m - некоторое целое число, подлежащее измерению, d - известный поперечный размер домена в используемом ферромагнитном веществе, причем толщина стенок цилиндрических магнитов h вблизи магнитных зазоров выбрана во много раз меньше диаметра D, например на один-два порядка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области физики магнетизма и предназначено для исследования структуры ферромагнитных материалов, в частности для доказательства «вмороженности» в доменные структуры магнитных силовых линий постоянных магнитов, выполненных из ферромагнитных материалов.

Наблюдения Г.Г.Баркгаузена в 1919 г. (см. Рудяк В.М. Эффект Баркгаузена. "УФН", 1970, т.101, с.429) показали, что при плавном изменении напряженности магнитного поля намагниченность ферромагнетика изменяется скачкообразно из-за действия различной природы трения доменов. Эффект Баркгаузена - одно из непосредственных доказательств доменной структуры ферромагнетиков, он позволяет определить объем отдельного домена. Для большинства ферромагнетиков этот объем равен 10^-6 l0^-9 см³ (соответственно поперечный размер домена составляет 0,1 0,01 мм), что указывает на то, что один домен состоит из огромного числа атомов или молекул с одинаково ориентированными магнитными моментами, то есть домен имеет массу, во много порядков раз большую массы отдельной молекулы или атома вещества. Это, в частности, определяет свойство магнитной вязкости ферромагнитных материалов.

Считается, что домены двух постоянных магнитов из одинакового ферромагнитного вещества магнитно связаны так, что магнитные силовые линии, исходящие из одного из доменов постоянного магнита, входят в домен другого постоянного магнита так, что расстояние между этими доменами двух обращенных своими плоскими и параллельно расположенными полюсами является минимальным. Это обстоятельство подтверждается тем, что при смещении в плоскости полюса одного из постоянных магнитов относительно другого возникает боковая сила, стремящаяся возвратить положения магнитов в исходное равновесное состояние. Этот опытный факт используется, в частности, в электрических двигателях переменного тока, в которых возникает вращающееся магнитное поле в статоре, которым увлекается электромагнитная система ротора.

Известны устройства, содержащие один неподвижный цилиндрический постоянный магнит (статор) и серию магнитно связанных с ним цилиндрических магнитов существенно меньшего диаметра (роторы), связанных их осями вращения с сепаратором, который приводится во вращательное движение, в результате чего цилиндрические магниты-роторы приводятся во вращательное движение относительно их осей вращения, а также и относительно оси вращения сепаратора [1-3]. В таких устройствах имеет место скрутка магнитных силовых линий, исходящих от торцов цилиндрических магнитов-роторов и замыкающихся на соответствующих положению последних торцах цилиндрического магнита-статора. При этом авторы полагают, пользуясь искусственно введенными понятиями о существовании в вакууме идеально упругой среды из так называемых квантонов, представляющих собой квадруполи из безмассовых электрических и магнитных монополей разных знаков, что в результате такой скрутки магнитных силовых линий возникает гравитационное поле, вектор которого коллинеарен оси вращения сепаратора, а направление этого вектора в зависимости от направления вращения сепаратора (по или против часовой стрелки) либо ослабляет земное тяготение, либо усиливает его по отношению к указанной выше конструкции.

Заявляемое устройство представляет собой эквивалент указанным выше устройствам, но содержит лишь два одинаковых магнитно связанных и соосно расположенных цилиндрических магнита, один из которых неподвижен (статор), а другой вращается (ротор). Существенно, что при этом, конечно, не возникает никакого гравитационного поля (как, впрочем, не возникает его и в цитированных выше устройствах), поскольку концепция о квантонах не является научно обоснованной и доказанной. Поэтому вышеназванные устройства не могут рассматриваться в качестве прототипа заявляемому устройству, целевое назначение которого к тому же является совершенно иным.

Целью изобретения является опытное доказательство «вмороженности» магнитных силовых линий в доменную структуру постоянных магнитов, что позволяет исследовать структуру и свойства доменов ферромагнетиков в функции их намагниченности и влияния на них различного рода внешних факторов, в частности их температуры,

Поставленная цель достигается в заявляемом устройстве - магнитопараметрическом генераторе, состоящем из двух магнитно связанных тонкостенных цилиндрических и соосно расположенных постоянных магнитов из исследуемого ферромагнитного вещества, один из которых - ротор - приводится во вращательное движение электродвигателем, а другой - статор - выполнен в виде подковообразной структуры, на магнитопроводе которой расположена катушка индуктивности, образующая вместе с присоединенным к ней конденсатором переменной емкости колебательный контур, настраиваемый на частоту = D/2md, где - частота вращения цилиндрического магнита-ротора с диаметром D, m - некоторое целое число, подлежащее измерению, d - известный поперечный размер домена в используемом ферромагнитном веществе, причем толщина стенок цилиндрических магнитов h вблизи магнитных зазоров во много раз меньше диаметра D, например на один-два порядка.

Достижение цели объясняется искривлением «вмороженных» в домены магнитных силовых линий при вращении магнита-ротора относительно магнита-статора, при котором эти силовые линии в зазоре между цилиндрическими магнитами удлиняются, несколько увеличивая магнитное сопротивление замкнутой магнитной цепи, то есть снижая магнитную индукцию последней, до тех пор, пока не произойдет срыв магнитных силовых линий и их переброс в исходное состояние с минимальным расстоянием между магнитно связанными доменами оппозитно расположенных цилиндрических магнитов (ротора и статора), соответствующим длине магнитного зазора. В результате указанного срыва магнитная индукция в магнитной цепи квазискачком возрастает до своей наибольшей величины, что приводит к возбуждению в катушке индуктивности, расположенной на магнитопроводе магнита-статора, э.д.с. индукции в соответствии с законом Фарадея. Частота следования указанных квазискачков магнитной индукции выявляется настройкой колебательного контура в резонанс и измеряется частотомером после соответствующего усиления возникающих в колебательном контуре колебаний и сравнивается с частотой вращения цилиндрического магнита-ротора при работе синхронного электродвигателя, например, трехфазного, возбуждаемого от задающего генератора с регулируемой частотой и преобразователя однофазного напряжения в трехфазное. Работа устройства аналогична действию скрипки: смычок за счет трения натягивает струну скрипки до тех пор, пока не уравняются силы трения смычка о струну и сила ее натяжения, после чего струна срывается от смычка и восстанавливает свое исходное положение, поэтому движение смычка относительно струны приводит ее в колебательное движение и создает звук соответствующей частоты. Таким образом, заявляемое устройство представляет собой параметрическую колебательную систему, в которой подкачка колебаний в колебательном контуре, настроенном в резонанс с частотой срывов магнитных силовых линий, осуществляется за счет периодического изменения параметра - магнитной индукции в магнитопроводе магнита-статора, а также за счет изменения относительной магнитной проницаемости магнитной цепи в целом.

Изобретение понятно из представленных чертежей.

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства - собственно магнитопараметрического генератора и блоков обеспечения эксперимента. Магнитопараметрический генератор состоит из следующих элементов:

1 - тонкостенный цилиндрический постоянный магнит-ротор из исследуемого ферромагнитного вещества, например, из NdFeB;

2 - магнитная цепь ротора синхронного электродвигателя;

3 - диэлектрический цилиндр-соединитель;

4 - магнитная цепь статора синхронного электродвигателя;

5 - трехфазная обмотка статора электродвигателя;

6 - неподвижно закрепленный в магните-статоре 7 стержень из немагнитного материала;

7 - тонкостенный (на торцах) цилиндрический постоянный магнит-статор из того же ферромагнитного вещества (как в магните-роторе) подковообразной формы, соосно установленный с магнитом-ротором 1;

8 - магнитопровод магнита-статора, замыкающий магнитную цепь магнита-ротора 1 и магнита-статора 7;

9 - катушка индуктивности L на магнитопроводе 8;

10 - конденсатор переменной емкости С колебательного контура;

11 - опорные призмы магнитопараметрического генератора.

При работе магнитопараметрического генератора использованы:

12 - малошумящий усилитель переменного тока, входом включенный к колебательному контуру LC, настроенному на частоту ;

13 - электронный частотомер;

14 - задающий генератор, перестраиваемый по частоте ;

15 - преобразователь однофазного напряжения в трехфазное с усилением по мощности.

На фиг.2 представлена в линейной развертке доменная структура постоянных магнитов статора 7 и ротора 1 с магнитными силовьми линиями при неподвижном состоянии магнита-ротора (V=0). Длина магнитных силовых линий минимальна и равна зазору между магнитами 1 и 7.

На фиг.3 представлена в линейной развертке та же доменная структура при вращении магнита-ротора с угловой частотой , определяющей линейную скорость цилиндрической стенки магнита-ротора V= D/2, где D - диаметр цилиндрического магнита-ротора 1. Показано искривление магнитных силовых линий (в виде наклонных стрелок) перед срывом их в исходное состояние, как на фиг.2. Срыв указан при m=5. Поперечный размер домена равен h.

На фиг.4 представлен график изменения во времени магнитной индукции B(t) в магнитной цепи (в частности, в магнитопроводе 8). По мере вытягивания магнитных силовых линий при вращении магнита-ротора 1 относительно неподвижного магнита-статора 7 увеличивается магнитное сопротивление магнитной цепи, то есть плавно уменьшается магнитная индукция в ней до конечной величины В_ср (индукции при срыве). После срыва «вмороженных» в домены магнитных силовых линий и восстановления их исходного расположения (как на фиг.2) магнитная индукция квазискачком возрастает до исходного уровня B_мах. Период следования срывов «вмороженных» в домены магнитных силовых линий равен, как нетрудно понять, величине 2 / , где - угловая частота колебаний в колебательном контуре LC.

Рассмотрим действие заявляемого технического решения.

Механическое вращение магнита-ротора 1 относительно магнита-статора 7 осуществляется синхронным, например, трехфазным, электродвигателем, статорная обмотка 5 которого питается от задающего генератора 14 с регулируемой частотой через преобразователь 15 однофазного напряжения в трехфазное, выполняющий также функции усилителя по мощности. При вращении магнита-ротора 1 происходит периодическое удлинение магнитных силовых линий, «вмороженных» в домены - в исходном состоянии, как указано на фиг.2, и перед срывом, как указано на фиг.3. В магнитных зазорах между магнитами 1 и 7 величиной b максимальное удлинение магнитных силовых линий достигает величины L, соизмеримой с L (b²+m²d²)^1/2 (в линейном приближении). Это эквивалентно кажущемуся увеличению зазора между магнитами 1 и 7 в k раз, при этом k (b²+m²d²)^1/2 /b=[1+(md/b)²]^1/2, и при учете, что md/b<<1, получим k 1+(md/b)²/2. В силу малости отличия величины k от единицы получаем весьма малое изменение магнитной индукции в магнитопроводе 8 и соответственно также весьма малое изменение величины относительной магнитной проницаемости магнитной цепи в целом при срывах магнитных силовых линий. Поэтому колебательный контур LC должен настраиваться в резонанс с частотой этих срывов для увеличения амплитуды э.д.с., возбуждаемой в катушке индуктивности 9. Возникающие в колебательном контуре электрические колебания затем усиливаются в малошумящем усилителе переменного тока 12 с необходимой его широкополосностью и подаются на электронный частотомер 13, измеряющий угловую частоту возникающих колебаний. Генератор можно рассматривать как параметрический, поскольку, кроме э.д.с., возбуждаемой в катушке индуктивности 9 по закону электромагнитной индукции Фарадея из-за изменения магнитной индукции в магнитной цепи, изменяется синхронно также и величина индуктивности катушки 9 из-за изменения относительной магнитной проницаемости в магнитной цепи связанных магнитов 1 и 7. Параметрическая накачка также способствует усилению колебаний в колебательном контуре LC. Резонанс в колебательном контуре наступает на частоте = D/2md=1/(LC)^1/2 при соответствующей настройке конденсатора 10.

Частота вращения магнита-ротора 1 также измеряется электронным частотомером 13 при подключении к нему задающего генератора 14. Поэтому можно определить величину md в виде отношения измеряемых частот md= D/2 . Если по другим известным методикам определен поперечный размер d доменов исследуемого ферромагнитного вещества (например, с помощью эффекта Баркгаузена), то число m, определяющее шаг md перескока магнитных силовых линий в периоде срыва, равно m= D/2d .

Шаг перескока md магнитных силовых линий достаточно мал. Так, при m=5 10 и d=0,01 0,1 мм получим md=0,05 1 мм. При выборе D=50 мм соотношение для частот / =0,002 0,04, то есть частота настройки колебательного контура должна превосходить частоту вращения магнита-ротора 1 в 25 500 раз в зависимости от шага md. Широкополосность F малошумящего усилителя 12 при наибольшей скорости вращения синхронного электродвигателя F_MAX=100 об/сек достигает величины F=50 кГц. На практике величина m может быть существенно больше 10, поэтому запас широкополосности малошумящего усилителя 12 должен быть увеличен до 200 500 кГц. Если спектральную плотность шума _ш этого усилителя выбрать равной _ш=10^-18 Вт/Гц, то среднеквадратический уровень шума на входе усилителя 12 будет равен (2 5)·10^-16 Вт. Для уверенной регистрации частоты колебаний в электронном частотомере 13 следует иметь отношение сигнал/шум на входе малошумящего усилителя 12 не менее 10 дБ, то есть мощность полезного сигнала P_C на колебательном контуре LC должна быть не менее P_C=(2 5)·10^-15 Вт. Если колебательный контур имеет сопротивление R_ЭКВ=(L/С)^1/2Q=10 кОм (здесь Q - добротность колебательного контура порядка 100, а (L/С)^1/2 - его волновое сопротивление порядка 100 Ом), то амплитуда возбуждаемых в колебательном контуре колебаний должна быть не менее U_m=(P_C/R_ЭКВ )^-1/2=(4,5 7,1)·10^-10 В, что вполне удовлетворяет условию возможной регистрации колебаний даже при малых значениях k, которые определяют глубину амплитудной модуляции величины магнитной индукции B(t), где коэффициент амплитудной модуляции

=(B_МАХ-B_CP)/2B_MAX. Для снижения помех следует рекомендовать экранировку колебательного контура электромагнитным экраном.

Следует полагать наличие зависимости числа m от скорости V= D/2, что может составить предмет специального исследования. Поэтому в заявляемом устройстве применен задающий генератор 14 с перестраиваемой частотой, а колебательный контур снабжен конденсатором с перестраиваемой емкостью. Кроме того, число m может определяться различного рода факторами - окружающей температурой, магнитной индукцией намагниченного ферромагнитного вещества, его относительной магнитной проницаемостью и т.д., что также может составить предмет исследования. Таким образом, заявляемое техническое решение представляет интерес для физиков, занимающихся проблемами магнетизма и технологией создания ферромагнитных материалов с требуемыми свойствами.

Заявляемое устройство следует выполнить разборным, чтобы можно было испытывать различные цилиндрические образцы постоянных магнитов из ферромагнитного вещества. В частности, разборным следует выполнить магнит-статор 7, чтобы можно было собирать цилиндрические магнит-ротор 1 и магниты статора 7, которые являются отрезками цилиндрического образца, надеваемые на торцы магнитопровода 8 магнита-статора 7. При этом цилиндрическая заготовка из исследуемого ферромагнитного вещества разрезается на три отрезка - два для торцов магнита-статора 7 и один (более длинный) для магнита-ротора 1. Можно также предусмотреть регулировку магнитных зазоров b между магнитами, что позволит получить дополнительную информацию о поведении «вмороженных» в домены магнитных силовых линий - зависимость числа m от величины зазоров b.

Следует указать, что толщина стенок h цилиндрических постоянных магнитов должна выбираться из условия h<<D, где D - средний диаметр цилиндрического образца магнита. Учитывая конечную величину h, приходится иметь в виду различие линейных скоростей V - от величины V_MIN= (D-h/2)/2 до величины V_MAX= (D+h/2)/2, то есть иметь перепад скоростей V= h/2, что приведет к нежелательному уширению спектральной линии генерируемых колебаний и к возможному применению, вместо электронного частотомера, спектроанализатора. Поэтому для обеспечения чистоты эксперимента следует выполнить условие h<<D, а в пределе можно рекомендовать заострение торцов магнита-ротора 1 до величины h=d (возможно также заострять торцы магнитов статора 7) для получения однодоменного слоя в торцах магнитов.

Следует также указать, что при работе устройства предполагалось, что все магнитные силовые линии совершают «дружный» перескок в одни и те же моменты времени с одних доменов магнита-ротора 1 на другие домены магнита-статора 7 с шагом md. Это обстоятельство также подлежит экспериментальной проверке.

Заявляемое техническое решение отвечает критерию «промышленная применимость».

Практическое изготовление макета заявляемого устройства следует поручить предприятиям приборостроения для электротехнической промышленности, а также соответствующим организациям Российской Академии наук.

Литература

1. Леонов B.C. Теория упругой квантованной среды, ч.2. Новые источники энергии. - Минск, 1997, с.93-104, рис.22, 24.

2. Леонов B.C. Способ создания тяги в вакууме и полевой двигатель для космического корабля (варианты). Патент РФ № 2185526, опубл. в бюл. № 20 от 20.07.2002.

3. Рощин В.В., Годин С.М. Экспериментальное исследование физических эффектов в динамической магнитной системе. Письма в ЖТФ, том 26, № 24, 2000, с.70-75.