способ проверки эквивалентности взаимодействия с внешним магнитным полем помещенных в него проводника с током и ферромагнитного тороида

Формула изобретения

Способ проверки эквивалентности взаимодействия с внешним магнитным полем помещенных в него проводника с током и ферромагнитного тороида, намагниченного по кругу, согласно которому торцевые плоскости ферромагнитного тороида располагают в плоскости, коллинеарной магнитным силовым линиям внешнего магнитного поля, и регистрируют наличие или отсутствие возникающей силы, приложенной к ферромагнитному тороиду со стороны внешнего магнитного поля и направленной против градиента образующегося суммарного магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике магнетизма, в частности к закону об электромагнитной индукции, и может быть использовано в экспериментальной и теоретической физике при объяснении силового взаимодействия магнитных полей разных источников.

Предположение о силовом воздействии движущихся в проводнике с током свободных электронов на кристаллическую решетку проводника, помещенного во внешнее магнитное поле, не выдерживает критики. Действительно, согласно закону об электромагнитной индукции на проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле, действует сила в соответствии с правилом левой руки, по которому магнитные силовые линии, исходящие от северного (N) к южному (S) полюсам, входят в ладонь левой руки, ток в проводнике протекает от ладони вдоль четырех пальцев, а действующая на проводник сила F направлена от ладони вдоль большого пальца, оттопыренного на 90°, то есть все три вектора - магнитного поля H_O, тока I в проводнике и возникающей силы F - являются взаимно ортогональными. Также известно, что вокруг проводника с постоянным током возникает круговое магнитное поле Н_КР, напряженность которого убывает от прямолинейного проводника пропорционально расстоянию d согласно формуле Н_КР=I/2 d, и магнитные силовые линии располагаются в плоскостях, перпендикулярных к проводнику. Суперпозиция магнитных полей - внешнего Н_О и кругового Н_КР - приводит к тому, что с одной стороны проводника напряженность суммарного магнитного поля выше, чем с другой стороны проводника. В картине общего суммарного магнитного поля возникает градиент этого поля. По общему правилу физические системы стремятся к минимуму энергии, поэтому действующая на проводник сила направлена в сторону с меньшей энергией суммарного магнитного поля, то есть противоположно указанному градиенту магнитного поля. Следовательно, причинная природа возникновения силы F состоит в обеспечении минимума энергии - проводник с током стремится выйти из магнитного поля.

Постоянный ток I в проводнике - суть движение свободных электронов массы m и с зарядом е со скоростью V. Согласно концепции Друде [1-3] концентрация свободных электронов n в металлах определяется формулой n=Z N /А, где Z число валентных электронов в атоме металла, N=6,02·10 ²³ 1/моль - число Авогадро, - плотность металла (г/см³), А - молярный вес атома (г/моль), при этом скорость движения свободных электронов равна V=j/en, где j - плотность тока в проводнике. При этом полная масса М потока свободных электронов, проходящих за 1 с в сечении проводника, равна dM/dt=sV·n m (кг/с), где s - поперечное сечение проводника. Так, для медного проводника m_M =63,5 г/моль и =8,9 г/см³ при плотности тока j=10 А/мм ² скорость движения свободных электронов в медном проводнике равна 0,74 мм/с, и при сечении этого проводника в 1 мм² через него скорость потока массы dM/dt свободных электронов составляет 5,68·10^-11 кг/с. При этом суммарная сила, действующая на движущиеся свободные электроны в 1 метре проводника, равна F₌=2,1·10^-14 Н.

Рассмотрим силу Лоренца F =е [Vµ₀Н], где µ₀ =1,256·10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, действующую на движущийся со скоростью V электрон в поперечном внешнем магнитном поле с напряженностью Н (А/м). Эта сила ортогональна векторам V и Н (правило левой руки). Подставим в это выражение данные, полученные для рассмотренного выше примера. Тогда погонная сила F при Н=1000 А/м и токе 10 А в проводнике сечением 1 мм² и длиной 1 м равна F =1,602·10^-19·0,74·10 ^-3·1,256·10^-6·1000=1,49..10 ^-25 Н.

Таким образом, действие на свободные электроны в проводнике электрического и магнитного полей вызывает ничтожно малые силы F₌ и F , которые не следует принимать в расчет, говоря о природе движения проводника с током в поперечном магнитном поле. Следовательно, силовое воздействие на проводник с током со стороны внешнего магнитного поля объясняется исключительно силовым взаимодействием магнитных полей - внешнего и образующегося вокруг проводника с током.

Исходя из указанного, можно предположить, что аналогичным образом будет возникать сила от взаимодействия внешнего магнитного поля Н_О с круговым магнитным полем Н_КР, сосредоточенным внутри намагниченного по кругу ферромагнитного тороида. Учитывая фактор «вмороженности» магнитных силовых линий в домены соответствующих магнитных систем, возникающая сила F действует между объектами-источниками соответствующих магнитных полей. Проверка этого обстоятельства и является задачей заявляемого технического решения.

Другие работы на данную тему автору неизвестны.

Целью изобретения является установление факта эквивалентности действия проводника с током во внешнем магнитном поле и ферромагнитного тороида с круговым намагничиванием, помещенного во внешнее магнитное поле.

Указанная цель достигается в заявляемом способе проверки эквивалентности взаимодействия с внешним магнитным полем помещенных в него проводника с током и ферромагнитного тороида, намагниченного по кругу, согласно которому плоские грани ферромагнитного тороида располагают в плоскости, коллинеарной магнитным силовым линиям внешнего магнитного поля, и регистрируют наличие или отсутствие возникающей силы, приложенной к ферромагнитному тороиду со стороны внешнего магнитного поля и направленной против градиента образующегося суммарного магнитного поля.

Достижение цели изобретения объясняется общностью конфигурации круговых магнитных полей, создаваемых вокруг проводника с постоянным током и сосредоточенным в ферромагнитном тороиде, намагниченном по кругу.

Простейшим экспериментальным доказательством наличия (или отсутствия) указанной эквивалентности является помещение намагниченного по кругу ферромагнитного тороида во внешнее однородное магнитное поле путем подвеса ферромагнитного тороида на тонкую длинную нить, образующую маятник, который в этом случае будет отклонен от своего положения равновесия на некоторый угол ортогонально магнитным силовым линиям внешнего магнитного поля, если плоскость ферромагнитного тороида будет ориентирована в маятнике коллинеарно магнитным силовым линиям внешнего источника магнитного поля. Наличие постоянного отклонения такого магнитного маятника будет свидетельствовать о возникновении силы, действующей на намагниченный по кругу ферромагнитный тороид со стороны источника внешнего магнитного поля.

Практически более интересным представляется устройство, реализующее заявляемый способ, рассматриваемое ниже. Подлежащее проверке действие такого устройства понятно из представленных чертежей.

На фиг.1 представлен вид сверху на устройство, включающее:

1 - цилиндрический полюс N электромагнита радиуса R₁, напряженность магнитного поля на его поверхности равна Н_О,

2 - коаксиально-цилиндрический полюс S электромагнита с внутренним радиусом R₂, напряженность поля на его поверхности равна Н_МИН,

3 и 4 - намагниченные по кругу ферромагнитные тороиды с напряженностью кругового магнитного поля Н_КР,

5 и 6 - подшипники крепления ферромагнитных тороидов 3 и 4,

7 и 8 - рычаги закрепления осей подшипников 5 и 6,

9 - ось вращения рычагов 7 и 8, являющаяся выходной осью устройства,

10 - подшипник оси 9.

В произвольной точке пространства в зазоре коаксиально-цилиндрического электромагнита, удаленной от оси 9 на расстояние r, напряженность внешнего магнитного поля равна Н(r)=H_O R₁/r, где R₁ r R₂. Таким образом, магнитное поле в зазоре электромагнита является неоднородным по радиусу r, но однородным по окружностям радиусов r. Длина рычагов 7 и 8 равна радиусу R вращения осей ферромагнитных тороидов 3 и 4 вокруг выходной оси 9. Возникающий в системе вращательный момент M_BP=n R F определяется числом n симметрично расположенных в магнитном зазоре ферромагнитных тороидов (в данном примере устройства n=2).

На фиг.2 представлен вид сбоку на устройство, включающее дополнительно:

11 - обмотку электромагнита,

12 - регулируемый источник постоянного тока I, намагничивающего электромагнит.

Направление подмагничивающего тока I указано стрелкой, и по правилу буравчика на элементе электромагнита 1 образуется северный (N) полюс - исток магнитных силовых линий, а на элементе 2 - южный (S) полюс. Ферромагнитные тороиды 3 и 4 могут свободно вращаться на их осях, закрепленных на рычагах 7 и 8, через подшипники 5 и 6. Вращение выходной оси 9 с угловой скоростью указано фигурной стрелкой.

На фиг.3 поясняется механизм возникновения движущей силы F проводника с током в однородном магнитном поле напряженностью H_O, взаимодействующим с круговым магнитным полем Н_КР, возникающим вокруг проводника с током I.

На фиг.4 представлено распределение сил F(z), действующих на соответствующие участки проводника с током I, помещенного в неоднородное (вдоль оси координат z) магнитное поле H(z), силовые линии которого коллинеарны плоскостям расположения круговых магнитных полей Н_КР, параллельных плоскости ху системы координат. Вектор силы F(z) располагается в соответствии с правилом левой руки.

На фиг.5 указан процесс кругового намагничивания ферромагнитных тороидов 3 и 4 путем наложения на них обмотки 13, подключенной к источнику 14 намагничивающего до насыщения постоянного тока I_HAC (указан стрелкой). Возникающее в ферромагнитных тороидах замкнутое магнитное поле показано фигурными стрелками, его направление соответствует правилу буравчика. После процедуры намагничивания ферромагнитных тороидов 3 и 4 с них снимается обмотка 13, и намагниченные тороиды используются в рассматриваемом устройстве (фиг.1 и 2).

На фиг.6 рассмотрена природа возникновения силы F, приложенной к ферромагнитному тороиду с круговой намагниченностью, например, по часовой стрелке, с напряженностью кругового магнитного поля Н_КР, в однородном магнитном поле с напряженностью магнитного поля Н _О в зазоре между полюсами N и S магнита. Видно, что в верхней половине ферромагнитного тороида магнитные поля Н_О * и Н_КР вычитаются друг из друга, а в нижней половине - складываются. Это означает, что градиент суммарного магнитного поля, связанного с ферромагнитным тороидом, направлен сверху вниз, а возникающая сила F, наоборот, - снизу вверх, как указано жирной стрелкой. Магнитное поле Н_О*>Н_О , поскольку материал ферромагнитного тороида (например, феррит SmCo₃) имеет большую величину относительной магнитной проницаемости µ>>1. Тонкими стрелками показано примерное распределение магнитных силовых линий между полюсами N и S с учетом расположения между ними намагниченного по кругу ферромагнитного тороида.

Рассмотрим операционную сущность заявляемого способа.

В заявляемом способе проводник с постоянным током заменен на намагниченный по кругу ферромагнитный тороид, круговое магнитное поле Н_КР в котором реализует фрагмент кругового магнитного поля проводника с током Н_КР=I/2 d, при этом величина d соответствует среднему радиусу ферромагнитного тороида. Такое соответствие тем более точно выполняется, чем тоньше ферромагнитный тороид (чем меньше различие между внутренним и наружным радиусами ферромагнитного тороида), поскольку магнитное поле проводника с током является существенно неоднородным, а поле внутри ферромагнитного тороида практически однородно по его поперечному сечению. Магнитные силовые линии внутри ферромагнитного тороида представляют собой окружности, расположенные параллельно торцевым его плоскостям. При установке ферромагнитных тороидов так, что его торцевые плоскости коллинеарны силовым линиям внешнего магнитного поля, обеспечивается максимум градиента суммарного магнитного поля, следовательно, максимум возможной силы F, направленной против этого градиента и создающей вращательный момент силы М _ВР=F R. Для ферромагнитного тороида 3 (фиг.1) сила F направлена вверх, а для ферромагнитного тороида 4 - вниз. Возникает пара сил с моментом М_ВР=2 F R. Указанное различие в направлениях сил для ферромагнитных тороидов 3 и 4 объясняется тем, что в верхней половине тороида 3 магнитные поля Н_О* и Н _ВИХ вычитаются, а в верхней половине тороида 4 магнитные поля Н_О* и Н_КР складываются. При расположении в коаксиально-цилиндрическом зазоре электромагнита нескольких симметрично расположенных ферромагнитных тороидов с круговым намагничиванием по одному и тому же направлению соответственно возрастает вращательный момент М_ВР=n F R, где n - число используемых ферромагнитных тороидов. Под действием вращательного момента М_ВР ось вращения 9 приходит во вращательное движение с угловой скоростью в установившемся режиме, что более наглядно видно на фиг.2.

Таким образом, заявляемый способ характеризуется последовательностью связанных операций над материальным объектом. Так, в качестве физической системы, эквивалентной проводнику с током, используют намагниченный по кругу ферромагнитный тороид, который располагают его торцевыми плоскостями параллельно магнитным силовым линиям магнитного поля коаксиально-цилиндрического электромагнита, при этом в случае эквивалентности замены проводника с током на намагниченный по кругу ферромагнитный тороид и под действием возникшего вращательного момента, приложенного к ферромагнитным тороидам, регистрируют вращательное движение последних. Наличие вращательного движения системы ферромагнитных тороидов с круговым намагничиванием, помещенных во внешнее магнитное поле, означает правомерность считать эквивалентными проводник с током и намагниченный по кругу ферромагнитный тороид в части использования этих объектов для возбуждения магнитодвижущей силы. В противном случае следует исследовать различие природы магнитных взаимодействий во внешнем магнитном поле проводника с током и намагниченного по кругу ферромагнитного тороида.

Изменение силы тока I в обмотке 11 электромагнита (фиг.2) от регулируемого источника постоянного тока 12 в случае выявленной эквивалентности взаимодействий приводит к изменению угловой скорости вращения оси 9. То обстоятельство, что в магнитном зазоре коаксиально-цилиндрического электромагнита магнитное поле является неоднородным (см. аналог на фиг.4), соответственно вносит коррекцию в расчет возникающей магнитодвижущей силы по сравнению с работой устройства при использовании однородного магнитного поля (как на фиг.3 для проводника с током). Кроме того, помещение в указанный магнитный зазор ферромагнитного тороида (см. фиг.6) с большой относительной магнитной проницаемостью увеличивает магнитный поток электромагнита в ферромагнитном тороиде по сравнению с магнитным потоком между такими же участками полюсов электромагнита, но в отсутствие ферромагнитного тороида.

Кроме вращения оси 9 магнитной системы из ферромагнитных тороидов 3 и 4 с рычагами 7 и 8, связанными с осью 9, ферромагнитные тороиды 3 и 4 будут вращаться вокруг их осей на рычагах 7 и 8, снабженных подшипниками 5 и 6. Это вращение связано с тем, что магнитное потокосцепление ферромагнитных тороидов вблизи полюса N электромагнита существенно больше потокосцепления со стороны полюса S из-за неоднородности внешнего магнитного поля, поэтому при вращении магнитной системы вокруг оси 9 по часовой стрелке ферромагнитные тороиды также будут вращаться в рассматриваемой схеме за счет большего «магнитного трения» у полюса N. В связи с этим ферромагнитные тороиды вращаются также по часовой стрелке, что согласуется с выводами некоторых оригинальных работ англичанина Серла и его последователей в России [4-8], связанных с возможностью извлечения энергии из вакуумного поля с помощью магнитных систем.

Существенно важно отметить, что электромагнит может быть заменен постоянным магнитом. Для этого электромагнит должен быть выполнен из магнитожесткого материала, например из феррита SmCo₃, который намагничивают до насыщения постоянным током, после чего ток в обмотке такого электромагнита (постоянного магнита после намагничивания до насыщения) выключается. Вращение оси 9 указанной магнитной системы в поле коаксиально-цилиндрического постоянного магнита означает совершение некоторой механической работы по преодолению момента трения и возможной присоединенной нагрузки. Однако при этом, как известно, используемые в устройстве магниты не теряют своей намагниченности, то есть не уменьшают своей магнитной энергии. Последнее требует объяснения по вопросу о том, за счет каких физических механизмов может осуществляться приток энергии для выполнения требования соблюдения закона сохранения и превращения энергии. Теоретическая физика должна найти такое объяснение, например, за счет реализации «механизма Хиггса» [9-15] с использованием энергии голдстоуновских безмассовых частиц вакуумного поля при нарушении калибровочной симметрии физической системы в присутствии магнитного поля указанной конфигурации. Практическое обоснование такого преобразования является, в частности, предметом усилий ученых-физиков, связанных с запуском Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, е, снабженного детекторами бозонов Хиггса. Рождение массовых частиц (кварк-глюонной плазмы и лептонов - составляющих материи) из безмассовых вакуумных частиц при спонтанном нарушении калибровочной симметрии физических систем отмечено в 2008 году Нобелевской премией по физике, присужденной трем японским ученым, двое из которых сотрудничают в Соединенных Штатах Америки, а третий - в Японии.

Реализация заявляемого способа на основе рассмотренного устройства важна именно потому, что при наличии вращательного движения оси 9 (фиг.2) при использовании коаксиально-цилиндрического постоянного магнита (или электромагнита, что то же самое), открываются перспективы создания бестопливных экологически чистых двигателей, а для теоретической физики создаются предпосылки обнаружения новых физических закономерностей.

Литература

1. Drude Р. Zur Elektronentheorie der Metalle, "Ann. Phys.", 1900, Bd 1, S.566.

2. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, пер. с англ., т.1, М., 1979.

3. Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах, пер. с нем., М., 1982.

4. Raum und Zeit, № 39, 1989, pp.75-85; Sandberg, Von S.Gunnar, «Was ist dran am Searl-Effect».

5. Raum und Zeit, № 40, 1989, pp.67-75, Schneider, & Watt. «Dem Seari-Effect auf der Spur.».

6. В.В.Рощин, С.М.Годин. Устройство для выработки механической энергии, патент РФ 2155435 от 27.10.1999 г.

7. В.С.Леонов. Способ создания тяги в вакууме..., патент РФ 2185526 от 20.06.2002.

8. В.С.Леонов. Теория упругой квантованной среды, ч.2, Новые источники энергии, Минск, 1997, с.93-104, рис.24.

9. P.W.Higgs. Broken symmetries and the masses of gauge bosons, «Phys. Rev. Let.», 1964, v.12, p.132.

10. F.Englert, R.Brout. Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons, Phys. Rev. Lett., 1964, v.13, p.321.

11. G.S.Guralnic, C.R.Hagen, T.W.B.Kibble. Global conservation laws and massless particles, Phys. Rev. Lett., 1964, v.13, p.585.

12. L3 Collaboration, Phys. Reports, 1993, v.236, p.1.

13. С.Коулмен. Тайная симметрия: введение в теорию спонтанного нарушения симметрии и калибровочных полей, в сб.: Квантовая теория калибровочных полей, пер. с англ., М., 1977.

14. Бернстейн Дж. Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т.п., М., 1978.

15. А.А.Славнов, Л.Д.Фаддеев. Введение в квантовую теорию калибровочных полей, 2-е изд., М., 1988.