УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МАГНИТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛОВ ПРИ ИХ ВРАЩЕНИИ В РАДИАЛЬНО-ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Изобретение относится к области физической электроники и может быть использовано для исследования процессов магнитного выдавливания свободных электронов магнитным полем во вращающейся системе «постоянный магнит - катушка проводника».

Известны различные генераторы постоянного тока - коллекторные, униполярные, магнитогазодинамические, химические и др. На примере работы диска Фарадея, вращающегося вместе со скрепленным с ним постоянным магнитом, создающим однородное магнитное поле, ортогональное плоскости проводящего диска с радиальными токами в нем, можно утверждать, что силы Лоренца, действующие по касательным к точкам диска, не имеют сил противодействия, опирающихся на магнитные полюсы постоянного магнита (если бы такие силы были бы в действительности), что в таком случае указывает на так называемое «безопорное» вращательное движение в замкнутой механической системе.

Заявляемое техническое решение известных аналогов не имеет.

Целью изобретения является возможность исследования физического процесса магнитного выдавливания свободных электронов из металлов при их вращении в радиально-цилиндрическом магнитном поле.

Указанная цель достигается в устройстве для исследования физического процесса магнитного выдавливания свободных электронов из металлов при их вращении в радиально-цилиндрическом магнитном поле, содержащем дисковый постоянный магнит, связанный с внутреммим стальным цилиндром с одного магнитного полюса магнита и с внешним стальным магнитопроводом с другого магнитного полюса магнита, соосным с внутренним стальным цилиндром и образующим с последним цилиндрический магнитный зазор с однородным радиально-цилиндрическом магнитном полем, в котором размещена однослойная катушка из проводника с плотной намоткой, концы которой соединены с кольцевыми электродами, расположенными на оси вращения постоянного магнита и внутреннего и внешнего стальных магнитопроводов со скользящими контактами, неподвижно закрепленными на корпусе устройства.

Конструкция заявляемого устройства понятна из представленного рисунка, содержащего следующие элементы:

1 - дисковый (тороидальный) постоянный магнит с диаметром D с магнитными полюсами на его плоских гранях,

2 - внутренний стальной цилиндр с диаметром D в продолжение магнитного полюса дискового (тороидального) постоянного магнита, снабженный полуостью вращения,

3 - внешний стальной магнитопровод с другой стороны магнита 1 с полуосью вращения, образующий с внутренним стальным цилиндром 2 цилиндрический магнитный зазор длиной L с радиально-цилиндрическим однородным магнитным полем с магнитной индукцией В,

4 - однослойную катушку из проводника с плотной намоткой на внутреннем стальном цилиндре 2 медным изолированным проводником диаметром d с длиной намотки L,

5 - кольцевой электрод, изолированный от оси вращения, со скользящим контактом (щеткой), соединенный с одним из выводных концов катушки 4,

6 - кольцевой электрод, контактирующий с осью вращения, при этом другой выводной конец катушки 4 соединен с телом внешнего стального магнитопровода 3, то есть с этим кольцевым электродом со скользящим контактом (щеткой),

7 - корпус генератора с подшипниковыми парами для полуосей вращения,

8 - изолированный вывод одного из выводных концов катушки 4 через скользящий кольцевой электрод 5, изолированный от полуоси вращения.

Другой электрод генератора соединен с его корпусом. Оба выходных электрода генератора подключены к последовательно связанными амперметром А, измеряющим постоянный ток с силой тока J, и резистором нагрузки R_H, а также параллельно - к вольтметру V, измеряющему напряжение на зажимах генератора U=J R_H.

Рассмотрим действие заявляемого генератора постоянного тока.

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.

Доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси (1913 г.). В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протеекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

В начале XX века немецким физиком П. Друде (1863-1906) была создана классическая электронная теория проводимости металлов, получившая дальнейшее развитие в работах голландского физика-теоретика Г.А. Лоренца (1853-1928).

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. П. 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 k, величину которой следует определить применительно к рассматриваемому устройству, ток в котором возникает в ранее неизвестном физическом механизме.

Хаотичность движения свободных электронов в тепловом поле, помещенных в радиально-цилиндрическое магнитное поле приводит к действию на них также хаотически распределенных по направлениям сил Лоренца, что не создает какого-либо однонаправленного давления на свободные электроны. Однако, если катушку с проводником 4 вращать в таком магнитном поле с угловой скоростью ω, то свободные электроны приобретают упорядоченное движение поперек вектора магнитного поля во всех точках проводника этой катушки. Вектор скорости каждой точки проводника ортогонален вектору магнитной индукции В, действующей в цилиндрическом магнитном зазоре между магнитопроводами 2 и 3. Поэтому сила Лоренца, действующая на свободные электроны, за счет их упорядоченного движения со скоростью ωD/2, находится следующим образом. Если объем проводника катушки 4 равен v=(πd²/4)(πDL/d)=π²dDL/4 при плотной намотке (виток к витку), а в токе J* принимает участие только k-ая часть всех свободных электронов, число которых равно n(k)=kρv=π²kdDLρ/4, то величина тока J* при таком вращении катушки 4 (вместе с магнитом 1 и магнитопроводами 2 и 3) составляет величину, вычисляемую как отношение полного взаимодействующего заряда n(k) е, где е=1,602*10^-19 кул - заряд электрона, к времени его протекания через сечение проводника длиной π: D L / d в его конце с линейной скоростью ω D/2. Тогда значение J*=n(k) е ω D**d/2 π D L=π²kd²D²Lpeω/8π D L==πkd²Dρeω/8, где размеры величин d и D в метрах, ток J* в амперах. Важно отметить, что ток J* пропорционален угловой скорости вращения со катушки 4 и диаметру D и обратно пропорционален квадрату диаметра d проводника катушки 4. Тогда сила Лоренца, приложенная к катушке 4 в направлении, коллинеарном оси вращения, в целом согласно известной формуле закона об электромагнитной индукции равна F=В(π D L/d) J*=π²BkρeωdD²L/8 Эта сила F разлагается на две составляющие; нормальную к проводнику и направленную вдоль самого проводника в любой его точке. Именно под действием последней осуществляется направленное движение свободных электронов в проводнике методом выдавливания их магнитным полем в условиях вращения катушки 4. Величина этой силы равна , где угол β определяется наклоном плоскости витка в катушке 4, и тангенс этого утла равен tg β=d/π D. Тогда искомый ток J, втекающий в нагрузку R_H, равен J=J*tgβ=k d³ ρе**ω/8. Величина этого тока указана на рисунке. При этом будем полагать сопротивление R_H весьма малой величины.

Отметим, что в полученном выражении для тока J отсутствуют существенно важные величины В, D и L, неявно определяющие значение коэффициента k, поэтому величина этого коэффициента подлежит нахождению в каждом конкретном исполнении устройства.

Если считать, что магнитная индукция В магнита 1 должна присутствовать такой же величины в магнитном цилиндрическом зазоре шириной, несколько превышающей диаметр проводника d между элементами 2 и 3 магнитопровода, то соотношение между величинами D и L по принципу равенства площадей должно быть таково: πD²/4=π D L, откуда длина L цилиндрического магнитного зазора равна L=D/4. Число витков катушки 4 равно N=L/d.

В полученном выражении для тока J неизвестной является величина к, которую можно найти экспериментально при прочих известных величинах d, ω, е и ρ, измерением тока J амперметром при нулевой нагрузке (R_H≈0). Так, при d=10^-3 м, ω=314 рад/с (скорость вращения оси равна 3000 об/мин), е=1,602*10^-19 кул и ρ=8,49*10²⁸ м^-3 для тока получаем численное соотношение J=k(10^-9×8,49*10²⁸×1,602*10^-19×314/8)=5,3383*10²k. Если, к примеру, величина k=0,001, то ток J=0.534А. Если зафиксируется амперметром ток J=10 А, то искомая величина k=18,73*10^-3. Изменяя угловую скорость вращения ω, можно исследовать зависимость k(ω) в рассматриваемом методе магнитного выдавливания свободных электронов при вращении системы «катушка-магнит» и исследовать полученный график функции k(ω), а также исследовать зависимость коэффициента k от заданных величин В, D и L используемого устройства.

В данной заявке по существу предложен новый вид генератора постоянного тока, свободный от недостатков известных генераторов постоянного тока, например, коллекторных генераторов. Существенно, что при работе такого генератора используется энергия магнитного поля магнита 1, которая при работе устройства практически не изменяется (постоянные магниты слабо размагничиваются со временем, но легко могут быть восстановлены путем их намагничивания до глубокого насыщения). Интерес представляет получаемая величина к.п.д. такого генератора, определяемая величиной коэффициента k, как отношение получаемой электрической мощности с катушки 4 к величине затрачиваемой мощности на вращение системы «катушка-магнит» от внешнего источника. Ответ на этот вопрос получим путем экспериментального исследования работы заявляемого генератора постоянного тока по вышеизложенной методике. Кроме того, в таком генераторе не возбуждается противо- э.д.с., как в известных электромеханических генераторах, и этот генератор не может работать в обращенном режиме в качестве двигателя.

Создаваемое силой давление на группу n(k) свободных электронов проводника определяет саму величину этой группы, что явно зависит от величины магнитной индукции В и конструктивных параметров устройства. Эта сила определяет величину э.д.с, возникающей на концах катушки 4, измеряемую высокоомным вольтметром V при отключенной нагрузке R_H.