УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРИ ВРАЩЕНИИ ИССЛЕДУЕМЫХ РАСТРВОРОВ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для исследования процессов возбуждения э.д.с. при вращении растворов различных веществ, например, кислот (H₂SO₄, Н₃РО₄ и других).

Известен эффект намагничивания растворов кислот, помещенных во вращающийся диэлектрический, например, стеклянный полый диск [1, 2], объясняемый разделением диссоциируемых анионов водорода Н⁺ и катионов кислотного остатка SO₄^- (или РО₄^-) с существенно отличающимися массами - в 80 (или 79) раз. Это разделение анионов и катионов под действием центростремительных сил, обусловленных вращением раствора, приводит к вытеснению на периферию диска отрицательных катионов, а положительные анионы группируются вблизи центра (оси вращения) диска. Как известно, вращение заряда вызывает намагничивание. При этом вектор магнитного поля от вращения катионов направлен по правилу правой руки, а вектор магнитного поля от вращения анионов направлен противоположно - по правилу левой руки. Напряженности соответствующих магнитных полей определяются концентрацией χ(r) заряда и линейной скоростью его движения v=ω r, где 0≤r≤R - радиус диска. Этот эффект использован в заявляемом техническом решении, не имеющим аналогов (прототипа).

Целью изобретения является возбуждение э.д.с. между метеллическими осью вращения и периферийным кольцом диэлектрического полого диска, заполненного исследуемым раствором, при вращении диска.

Другой целью изобретения является повышение э.д.с. при помещении периферийной части вращающегося диска с исследуемым раствором в поперечное к плоскости диска постоянное магнитное поле.

Указанные цели достигаются в устройстве для исследования возможности возбуждения электродвижущей силы при вращении исследуемых растворов веществ, включающее вращающийся от двигателя диэлектрический полый диск с раствором исследуемого вещества с осью вращения и периферийным кольцом диска, выполнеными из металла, не взаимодействующего химически с данным раствором, периферийная часть вращающегося диска с исследуемым раствором помещена в постоянное магнитное поле постоянного магнита со стальными магнитопроводами, а индуцируемая электродвижущая сила снимается скользящими контактами, соединяемыми с осью вращения и периферийным кольцом диска и подключенными к измерительному вольтметру.

Достижение указанных целей объясняется эффектом пространственного разделения зарядов - анионов и катионов раствора исследуемого вещества, например, кислоты (H₂SO₄, Н₃РО₄ и др.), при их вращении под действием центростремительных сил и с учетом значительного различия в массах этих составляющих диссоциированного раствора, и это разделение усиливается действием постоянного магнитного поля у периферийной части вращающегося диска с исследуемым раствором, вектор которого ортогонален плоскости диска (то есть направлению движения катионов раствора), и согласно правилу левой руки катионы испытывают силовое давление в направлении к периферии диска.

Устройство представлено на рис. 1, величина э.д.с. условно указана на рис. 2.

Заявляемое устройство содержит следующие элементы (рис. 1):

1 - диэлектрический (магнитопрозрачный) полый диск с осью вращения,

2 - исследуемый раствор жидкости, заполняющий полый диск 1,

3 - периферийный кольцевой электрод диска 1 из металла, не взаимодействующего с раствором исследуемого вещества (как и металлическая ось вращения диска),

4 - скользящий контакт кольцевого электрода 3 с радиусом R,

5 - двигатель внутреннего сгорания или какой-либо иной двигатель с регулируемой скоростью вращения ω его оси, связанной с осью вращения диска 1.

6 - скользящий контакт оси вращения диска 1,

7 - постоянный магнит, например, неодимовый,

8 и 9 - части магнитопровода магнита 7 из стали, образующие магнитное поле в магнитном зазоре с магнитной индукцией В,

10 - аккумуляторная батарея (напряжение на ней контролируется вольтметром V).

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.

С точки зрения электронной теории высокая электрическая проводимость в металлах (электропроводимость металлов) объясняется наличием огромного числа носителей тока - электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. Друде предложил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа.

При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Важно отметить, что тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока. Под действием внешнего электрического поля в металлическом проводнике возникает упорядоченное движение электронов, т.е. возникает электрический ток как следствие действия электростатических сил на свободные электроны металла (закон Кулона).

Средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения при обычных температурах. Небольшое значение средней скорости объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами кристаллической решетки.

Как известно, концентрация свободных электронов в металлах различна, но достаточно велика. Наибольшая концентрация отмечена у меди и составляет ρ=8,49⋅10²⁸ 1/м³. Но не все они принимают участие в формировании электрического тока, а лишь некоторая их часть η, величину которой следует определить применительно к рассматриваемому устройству, ток в котором возникает в ранее неизвестном физическом механизме.

Вращение любой механической системы вызывает действие центростремительных сил F=m ω² r², где m - масса тела, ω - угловая скорость вращения тела и r - радиус вращения тела. В качестве тел в данной работе выступают анионы водорода с атомной массой m_H=1 и катионы кислотного остатка, например, SO₄ для серной кислоты с атомной массой m_SO4=80. Поскольку различие атомных масс катионов и анионов слишком велико, то вращение раствора приводит к расположению более тяжелых катионов на периферии вращающегося диска 1 за счет вытеснения ими более легких анионов к оси вращения диска. Это приводит к рассредоточению зарядов в пространстве диэлектрического диска 1 - на оси вращения сосредоточивается положительный заряд, а на кольцевом электроде 3 - отрицательный, то есть возникает разность потенциалов - э.д.с. между металлическими электродами - осью вращения диска и кольцевым электродом. Под действием этой э.д.с. в замкнутой цепи возникает ток J, например, заряжающий аккумуляторную батарею 10.

В частности, вращение отрицательных зарядов на большом радиусе r ≈ R приводит к намагничиванию раствора с максимумом намагничивания на периферии вращающегося диска 1. Намагничивание снижается с уменьшением радиуса r в пределе до нуля, где концентрации анионов и катионов становятся одинаковыми. При дальнейшем уменьшении радиуа r намагничивание меняет знак, но является достаточно малой величины, которой, в первом приближении, можно пренебречь.

Увеличение концентрации катионов вблизи кольцевого электрода 3 в заявляемом техническом решении достигается действием на периферийную часть диска 1 постоянного магнитного поля с магнитной индукцией В, как это видно на рис. 1. При указанном направлении вращения диска 1 и указанной полярности магнитного поля на катионы действует сила Лоренца F_л=В L J, где L - длина магнитного зазора по ходу вращения диска 1, а полный ток J определяется двукратным интегралом вида:

где r₂ - r₁ - размер магнитного зазора по высоте (r₂ ≈ R), h - размер магнитного зазора по его ширине (толщина внутренней полости диска 1 вдоль оси У, коллинеарной оси его вращения), χ(r) - концентрация заряда катионов в функции от радиуса их расположения. Второй интеграл определяет величину отрицательного заряда в объеме магнитного зазора, движущегося с линейной скоростью v(r)=ω r, разной для разных слоев радиуса r.

Полная сила Лоренца F_л дополнительно выдавливает катионы к периферии диска 1 по правилу левой руки, увеличивая их концентрацию χ(r₂), что дополнительно увеличивает возникающую э.д.с. между осью вращения диска 1 и его кольцевым электродом 3, следовательно, и ток J заряда аккумуляторной батареи 10.

Растворы кислот, как известно, обладают высокой проводимостью для тока электронов - свободных электронов металла, из которого изготовлен кольцевой электрод 3, находящийся в полости этого диска и контактирующий с исследуемым раствором, например, раствором серной кислоты. Движение электронов тока J в растворе по радиусам от кольцевого электрода 3 к оси вращения также вызывает силу Лоренца по правилу левой руки, вектор которой совпадает с вектором вращения диска 1 от двигателя 5, что снижает нагрузку на этот двигатель по мере увеличения скорости вращения его оси. Так как концентрация катионов у кольцевого электрода 3 растет с ростом центростремительной силы F и силы Лоренца F_л, то график зависимости индуцируемой э.д.с. от угловой скорости вращения диска 1 (рис. 2) представляет нелинейную, квазиквадратичную функцию.

Заявляемое техническое решение представляет интерес для измерительной техники и научного эксперимента.

Литература

1. О.Ф. Меньших, Устройство для исследования эффекта намагничивания растворов при их вращении, Патент РФ №2614852, опубл. в №10 от 29.03.2017;

2. О.Ф. Меньших, Намагничивание растворов при их вращении, Internet, Allbest.ru, База знаний, 05.05.2014.