Прибор для исследования "парадокса Фарадея"

Изобретение относится к области измерительной техники и магнито-электроники и может быть использовано для исследования процессов вращательного движения электронов в вакууме под действием тянущего электрического поля при термоэлектронной эмиссии и магнитного поля, вектор которого ортогонален потоку электронов (то есть ортогонален вектору электрического поля).

Известен опыт М. Фарадея (1831) с немагнитным проводящим диском, помещенным в однородное магнитное поле, вектор индукции которого совпадает с осью вращения диска, вращение которого происходит от протекающего в нем постоянного тока от его оси вращения к его кромке (проводящему ободу) через скользящие контакты. Вращение объясняется действием сил Лоренца, направленных по касательным к точкам диска, вращающихся по соответствующим окружностям. Движущиеся электроны оказывают силовое одностороннее давление на кристаллическую решетку по известному правилу «левой руки». Первоначально считалось, что силам Лоренца соответствуют противодействующие им силы, опирающиеся на магнитные полюсы магнита, как это следует из третьего закона И.Ньютона для не замкнутой механической системы с неподвижно расположенном магните. Однако, в рассматриваемой системе «магнит-диск с радиальными токами» вращение имело место и при жестком скреплении магнита с телом диска, что и определило так называемый «парадокс Фарадея», попытки объяснения которого постоянно обсуждаются физиками [1-15]. Вращение диска с магнитом указывает на то, что либо не возникает сил противодействия силам Лоренца (то есть не действует третий закон И. Ньютона), либо на не замкнутость такой системы, с неизвестно на что опирающимися противодействующими силами, лежащими в плоскости во всех направлениях в пределах углов от нуля до 2 л. «Парадокс Фарадея» проявляется также и в том, что при вращении диска в неподвижном магнитном поле на его скользящих контактах возникает э.д.с, а при вращении магнита относительно неподвижного диска в последнем э.д.с. не возникает, то есть не действует принцип эквивалентности относительного движения, что указывает на неподвижность магнитного поля при вращении магнита, создающего это поле. Если это так, а третий закон механики все же действует, то остается считать, что силы противодействия опираются на неподвижное магнитное поле при вращающемся вместе с диском магните. При этом магнитное поле выступает в качестве некоторого материального объекта физического вакуума, и такая система может рассматриваться как не замкнутая механическая система, в которой действуют законы сохранения импульса и момента импульса. Именно поэтому к подобным системам применяют термины как к системам с «безопорным» движением.

Интересно, что в качестве тела диска со скользящими контактами можно использовать жидкую проводящую среду, а также жидкие металлы - ртуть или галлий при температуре выше 27°C, которые заменяют собой скользящие контакты, каковыми вступают неподвижные металлические стержень и кольцевой электрод, расположенные друг к другу осесимметрично. Присоединение этих электродов к источнику постоянного тока приводит к вращению жидкости [16]. В такой конструкции радиальные токи имеют равную плотность по любому из 2π угловых направлений. Поэтому неверно считать, что физический механизм вращения диска с током объясняется вытеснением диска из неоднородного магнитного поля, складывающегося из суперпозиции однородного магнитного поля магнита и магнитного поля, возникающего от протекания радиального тока по выделенному направлению в сторону скользящего контакта, считая, что имеет место изменение во времени суммарного магнитного поля на поверхности диска. Как видно, в указанной системе с вращающейся электропроводящей жидкостью такой неоднородности во времени суммарного магнитного поля не возникает, поскольку скользящий контакт - металлическое кольцо охватывает проводящую жидкость со всех направлений по окружности кольца, однако вращение имеет место, то есть иначе объясняется физический механизм самого вращения - не из-за изменения магнитного поля во времени!

В заявляемом техническом решении обсуждаются проблемы так называемого «безопорного» вращательного движения [17-20] посредством передачи кинетической энергии ускоренных электронов при их термоэлектронной эмиссии и действии на них поперечного однородного магнитного поля, искривляющего траекторию их движения по спиралям. Аналоги таких приборов в известной научной литературе отсутствуют.

Целью изобретения является обеспечение возможности проведения исследований «парадокса Фарадея» при замене немагнитного проводящего диска на вакуум, то есть при отсутствии кристаллической решетки, с которой взаимодействуют электроны, оказывая на нее давление возникающими силами Лоренца.

Указанная цель достигается в заявляемом приборе для исследования «парадокса Фарадея», включающим вакуумный сосуд в форме диска с центрально расположенным вместе с полуосями вращения термокатодом и кольцевым анодом на периферии сосуда, которые подключены к источнику высокого постоянного напряжения и к источнику подогревателя термокатода через три скользящих контакта, два из которых связаны с проводящими полуосями, а третий - с кольцевым анодом, сосуд из диэлектрического материала, например, стекла, жестко связан его боковыми гранями с парой тороидальных магнитов, установленных соосно и обращенных друг к другу разноименными магнитными полюсами.

Достижение поставленной цели изобретения объясняется вращением вакуумного сосуда с термоэмиссионным катодом и кольцевым анодом совместно с парой тороидальных магнитов с однородным магнитным полем внутри сосуда дисковой формы под действием бомбардировки анода ускоренными электронами, падающими на анод под малыми углами к внутренней поверхности анода за счет спирального движения электронов действием магнитного поля - силами Лоренца. Поскольку электроны вырываются из стержневого термокатода строго вдоль радиусов и с одинаковой плотностью тока по всем направлениям в пределах полной окружности, то никакой силовой реакции на термокатод они не создают - силы отрыва электронов от термокатода уравновешивают друг друга. Спиральное движение электронов возникает под действием сил Лоренца по правилу «левой руки», противодействующие силы которых не опираются на магнитные полюсы пары тороидальных магнитов, жестко скрепленных с вращающейся дисковой колбой, что именно и указывает либо на отсутствие этих сил, либо их опору на объект вакуумного тюля, каковым при рассмотрении «парадокса Фарадея» является не вращающееся вместе с магнитом однородное магнитное поле. При вращении электронов по спиралям осуществляется передача из кинетической энергии аноду, вследствие чего вакуумный диск и магниты постепенно раскручиваются, преодолевая инерцию раскручивающейся массы, много большей массы бомбардирующих анод массы электронов, определяемой силой тока эмиссии.

Прибор для исследования «парадокса Фарадея» содержит следующие части:

1 - вакуумный сосуд в форме стеклянного диска,

2 - центрально расположенный с диском термоэлектронный катод с подогревом нитью накала, соединенной с двумя металлическими полуосями 9,

3 - кольцевой анод на периферии сосуда 1, соосный стержневому термокатоду 2,

4 и 5 - пара тороидальных постоянных магнитов, например, неодимовых, обращенных друг к другу их разноименными магнитными полюсами, что их жестко закрепляет на гранях дискового сосуда,

6, 7 и 8 - скользящие контакты для их подключения к источникам тока,

9 - две полуоси прибора, связанные с нитью накала и трубчатым корпусом термокатода,

10 - подшипниковая пара полуосей 9, закрепленная в непроводящем корпусе прибора (последний не показан на рис. 2).

11 - спиральная траектория движения электронов массы m. на рис. 1 показаны четыре таких траектории пунктиром,

12 - источник питания накала термокатода с напряжением U_H, подключенный к скользящим контактам 7 и 8 полуосей 9, подключенных к нити накала термокатода 2,

13 - высоковольтный источник анодного питания с напряжением U_A, подключенный к скользящим контактам 6 и 7.

Рассмотрим действие прибора.

В отличие от относительно медленного движения свободных электронов в проводниках при действии электрического поля, эмитируемые в вакууме электроны приобретают весьма большую скорость и соответственно кинетическую энергию, так что нерелятивистская скорость их соударения с анодом 3 выражается по формуле:

где е=1,602*10^-19 кул. - заряд электрона, m=9,108*10^-31 кг - масса нерелятивистского электрона, U_A - напряжение (В), приложенное между катодом 2 и анодом 3 от источника постоянного тока 13, Е - э.д.с, возбуждаемая в соответствии с законом об электромагнитной индукции, определяемая выражением:

где В - магнитная индукция (Тл), действующая в сосуде 1, ω - круговая скорость вращения сосуда 1 (1/сек), R - радиус (м) до внутренней поверхности кольцевого анода 3.

Скорость V действует под углом β к касательной к окружности в точке падения электрона на анод, поэтому ее проекция на эту касательную равна:

поэтому такой электрон сообщает аноду 3, то есть всей вращающейся системе тел с общей массой М импульс силы p₁ в направлении вращения системы, равный:

Количество падающих на анод ускоренных электронов в единицу времени (1 с) определяется током J эмиссии катода 2, так что результирующая сила F_Σ, образующая вращательный момент системы, вычисляется согласно выражению:

Получающийся вращательный момент М_ВР=RF_Σ вызывает постепенное ускорение вращающейся системы массой М, величина которого подчиняется неравенству:

для которой угловая скорость вращения ω системы в установившемся режиме разгона вычисляется в виде предела:

где угол β является функцией параметров β=f(В, U_A), и угловая скорость вращения системы без трения является функцией ω=g(U_A, В, β).

Однако для реально действующей системы с учетом момента трения М_ТР результирующая скорость ее вращения ω* в установившемся режиме находится из выражения:

где ω*=k ω, где k<<1. Правая часть выражения (8) определяет мощность, затрачиваемую на разгон системы до ее установившегося значения угловой скорости ω* за некоторый интервал времени.

Таким образом, разгон системы осуществляется сравнительно медленно с учетом массы системы М бомбардировкой анода 3 электронами, движущимися в вакууме по спиральным траекториям 11 (рис. 1) за счет действия на них сил Лоренца со стороны магнитного поля с индукцией B, а не за счет давления свободных электронов на кристаллическую решетку в проводящем диске Фарадея.

Интересно отметить, что при работе прибора как бы не соблюдается закон сохранения момента импульса, поскольку на якобы замкнутую систему не действуют внешние силы (внешние моменты сил), а система, тем не менее, разгоняется. Однако это кажущееся несоблюдение закона сохранения момента импульса, выражающее «парадокс Фарадея», приводит к убеждению о незамкнутости системы, а опорой противодействующих сил Лоренца выступает вакуумное поле в виде однородного (не вращающегося) магнитного поля. Интерпретация «парадокса Фарадея» открывает новую страницу в познании физики.

Литература

1. М. Фарадей. Экспериментальные исследования по электричеству, т. 3, с. 3115.

2. Электродинамика, статья в Интернете, www/http://electrodynamics.narod.ru.

3. Preston. "Philosophical Magazine", 1885, 1891, О парадоксах Фарадея.

4. В.Ф. Миткевич. Магнитный поток и его преобразование. Гл. 3 - Изд. АН СССР, М.-Л, 1946. С. 34, 74, 83.

5. Д.К. Максвелл. Статьи и речи. - М.: Наука, 1968. С 59.

6. И.Е. Тамм. Отчет АН СССР за 1932 г. С. 226.

7. И.Е. Тамм. Основы теории электричества. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. §112.

8. З. Цейтлин. Одно замечание по поводу статьи И.Е. Тамма. - Ж. «Под знаменем марксизма», №2, 1933. С. 230.

9. К.Б. Канн. О парадоксах закона ЭМИ. http://micro-wold.su/files/4034

10. F.J. Miller. An experimental disproof of special relativity theory (unipolar induction). http://home.comcast.net/~adring/muller.htm

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

12. H.T. Маркчев. «Сравнение различных форм системы уравнений Максвелла». - в Сб. статей: «Максвелл и развитие физики XIX-XX веков». - М.: Наука, 1985. С. 93.

13. К.В. Каnn. "Vortex electric field" http://www.sciteclibrarv.ru/texsts/eng/stat/st3906eng.pdf

14. В.А. Эткин. О физическом смысле токов смещения.

15. О.Ф. Меньших, Способ возбуждения униполярной индукции, Материалы XIII Международной телеконференции, «База знаний», опубл. 28.08.14.

16. Вращение жидкости в магнитном поле, youtube.com>watch?v=ziAmWRdLEFI, а также см. Kozyrew. WII/Kozyrew. WII.html

17. Косинов H.В., Гарбарук В.И., Косинов Л.В. Лабораторные эксперименты, объясняющие механизм вращения Земли, /ж. Физический вакуум и природа/, №5, 2002 г. с. 138-142.

18. Сигалов Р.Т., Шаповалова Т.И., Каримов X.X., Самсонов Н.И. Новые исследования движущих сил магнитного поля. - Ташкент: ФАН, 1975.

19. Балабай В.И., Иванько Ю.В., Основы опорного и безопорного движения, опубл. 21.02.2005, Internet.

20. О.Ф. Меныних, К вопросу о возможности безопорного движения, «База знаний», опубл. от 05.07.2016.

21. О.Ф. Меньших, Устройство преобразования энергии вращательного движения в поступательное, Патент РФ №2304340, опубл. в бюл. №22 от 10.08.2007.

22. О.Ф. Меньших, Электромагнитный шаговый движитель, Патент РФ №2409885, опубл. в бюлл. №2 от 20.01.2011.

23. О.Ф. Меньших, Способ перемещения центра инерции замкнутых механических систем, Заявка на изобретение №2013156677/06 (088230) от 19.12.2013.

24. О.Ф. Меньших, Безопорное движение системы проводника с током в магнитном поле, Internet, Allbest.ru, База знаний (доклад), опубл. 28.07.2015.