Секреты униполярного двигателя

С.Б. Каравашкин
e-mail: sbkaravashkin@gmail.com
Труды СЕЛФ
блог «Classical Science»
оригинал
Споры об униполярных процессах идут более столетия. Много написано литературы, проведено исследований на самых различных схемах в попытке выяснить, вращается ли магнитное поле вместе с магнитом или нет, что именно является источником индукции тока при совместном движении магнита и диска и т.д. Обзоры по этому вопросу делал тот же Канн {1}, {2}. Менде активно дискутировал на форумах {3}, и проводил исследования, пытаясь учесть движение не только электронов, но и положительного остова диска (вследствие его вращения) на униполярную индукцию. Обширные теоретические исследования проводил Парселл в попытке обосновать индукцию и взаимодействие проводников с точки зрения Специальной теории относительности {5}. Однако все эти исследования, как и исследования корифея электромагнетизма Тамма {6} , как правило, были сконцентрированы на униполярной генерации токов, предлагая самые различные трактовки и схемы вплоть до релятивистских, основывающихся на трансформации полей в разных системах отсчёта.
Вопрос об униполярных двигателях считался до сих пор вполне решённым и обычно сводился к действию силы Лоренца на электроны диска при вращении последнего в поле магнита. «Силы, действующие на проводник с током, так называемые «пондеромоторные силы», возникают уже как вторичный результат взаимодействия между движущимися в проводнике заряженными частицами и остальным веществом, образующим проводник… Вращение происходит вследствие того, что электроны, направляющиеся по диску снизу вверх и отклонённые магнитным полем (вправо), сталкиваются с узлами кристаллической решётки металла и увлекают её за собой» {7, с. 331-332}.
Как мы видим, всё исключительно просто, тем более, если ограничиваться самой простой схемой диска Барлоу, представленной на рис. 1, описанной в цитате с противоположным направлением тока .
Рис. 1. Диск Барлоу; «сплошной медный диск А, закреплённый на оси О, вращающейся с возможно малым трением, слегка погружён нижним краем в корытце В со ртутью. Между осью и корытцем прикладывается напряжение, и по диску в вертикальном направлении идет электрический ток. Если поместить диск между полюсами подковообразного магнита С, то он начнёт вращаться в указанном стрелкой направлении и согласии с правилом левой руки» {7, с. 331}.

Тем не менее, оказывается, что и в униполярных двигателях тоже есть проблемы. «Что же касается движения ротора без статора, то единственное здесь объяснение – работа сил Лоренца, действующих на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле. Электроны под их влиянием приобретают тангенциальное направление движения и увлекают за собой диск вместе с магнитами. Кстати, реактивного момента на магнитах не возникает: я устанавливал магнит между дисками, подводил к нему ток – не шевельнулся.
Пока другого объяснения этому эффекту я не нахожу, хотя искал очень долго, обращаясь за помощью в весьма высокие научные инстанции. Высказывались, например, предположения, что при одновременном вращении магнитов и проводника ток наводится в щетках и их проводах, идущих к амперметру. Это, разумеется, не так, в противном случае он наводился бы и при неподвижном диске. Или изменялся бы при перемещении самих проводников, Но я на всякий случай собрал схему без щеток и проводов – эффект тот же.
Полагали, что возможно влияние магнитного поля Земли. Мало правдоподобно, но попробуем. Перемещал систему так и эдак в пространстве, вращал один диск без магнитов – никакого тока, естественно. Так что если найдутся более правдоподобные объяснения – только спасибо скажу»
{8}.
Чтобы оконтурить проблему, вспомним физическую природу активного сопротивления постоянному току, за счёт которого и должно было происходить увлечение проводника электронами. «Подвижность носителей заряда существенно зависит от времени τ, в течение которого они накапливают направленный импульс от приложенного электрического поля. Это верно для любого возможного процесса… Ток проводимости действительно переносится электронами; он представляет собой медленный хаотический дрейф носителей, наложенный на их более быстрое хаотическое движение. Далее, именно рассеяние или отклонение электрона решёткой делает скорость дрейфа пропорциональной полю и, следовательно, заставляет ток подчиняться закону Ома» {5, с. 136-137}.
Простым языком это звучит так: «Во время движения электроны ударяются об атомы вещества и передают им часть своей энергии. Этим объясняется то, что включенный в сеть проводник нагревается. А сами электроны замедляют свое движение. Но электрическое поле их снова ускоряет, поэтому они вновь устремляются к плюсу. Этот процесс происходит бесконечно, пока вокруг проводника имеется электрическое поле. Получается, что именно электроны испытывают сопротивление электрического тока. То есть чем больше препятствий они встречают, тем выше значение этой величины» {9}.
Из сравнения мы видим, что по описаниям процесс движения диска в униполярном двигателе и физический процесс активного сопротивления в проводнике имеют одну и ту же природу, о чём упоминал и Никола Тесла в своей статье: «Результат будет, конечно, в значительной степени зависеть от сопротивления и геометрических измерений пути вихревого тока и от скорости вращения; - и именно эти элементы определяют замедление этого тока и его позицию по отношению к полю» {8}.
В связи с установленной связью, был проведен эксперимент, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Схема для проверки эквивалентности действия сопротивления и силы Лоренца

Схема состоит из свободно вращающегося диска 1 с наклеенным по ободу проводящим кольцом с разрывом. Питание подаётся через скользящие контакты 2. Силовая установка состоит из автотрансформатора Tr1 , понижающего трансформатора Tr2 с коэффициентом трансформации n = 30, диодного моста VD1 с максимальным током 8 А, сглаживающего конденсатора C2 , емкостью 50 000 мФ, балластного сопротивления R1 = 0,14 Ом, и вольтметра, каждые 0,14 В которого соответствовали току в 1 А , подаваемому на кольцо диска.
Если действительно действие сопротивления аналогично действию силы Лоренца, то при подаче тока на полуобод, он должен был бы приходить во вращение. Но этого не происходит. Диск остаётся неподвижным независимо от направления тока.
Несложно проверить, что в магнитном поле ток достаточен для того, чтобы диск пришёл в движение. Для этого была несколько видоизменена схема эксперимента, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема со ступенькой 3 и магнитом для проверки достаточности амплитуды тока для вращения диска

Опыт показал, что при подаче тока диск начинает вращаться в пределах нахождения ступеньки внутри магнита. При смещении магнита вдоль обода, диск смещается вслед за ним. При подвешивании магнита и подаче тока на полуобод, диск смещается в одну сторону, а сам магнит смещается в противоположном направлении. Наконец, если мы положим магнит на ступеньку обода, чтобы обеспечить возможность ступеньки смещаться в направлении действия силы магнита, но вместе с ним, то движение тоже будет отсутствовать.
Таким образом, во-первых, диск приводится в движение не путём воздействия или увлечения электронами остова проводника. Во-вторых, реакция существует и на магнит действует сила встречно силе, действующей на ступеньку. Именно поэтому при совмещении магнита и ступеньки движение прекращается. Силы взаимодействия становятся внутренними.
Чтобы разобраться в причинах возникновения подобного эффекта, обратимся к классическому представлению о деформации поля заряда при его движении. В принципе, это уже многократно считалось и представлялось другими авторами. Это поле имеет вид, представленный на рис. 4
Рис. 4. Поле неподвижного (а) и движущегося (б) положительного заряда

Поле, аналогичное показанному на рис. 4, будет характерно и для отрицательного заряда с единственной разницей, что направление векторов Е будет к заряду, а не от него.
Но мы рассмотрим несколько иную задачу, задавшись вопросом: как будет направлено поле движущегося заряда на фиксированном расстоянии r от его мгновенного положения при условии, что напряжённость поля определяется с условием запаздывания вследствие движения самого заряда.
Расчётная схема представлена на рис. 5.
Рис. 5 Схема для расчёта напряжённости поля заряда, движущегося со скоростью v.

Из Δ АОР имеем
(1)
Или
(2)
откуда
(3)
В (3) в числителе оставлен знак (+), учитывая, что Δt ≥ 0. Также исходя из (3) получаем
(4)
Учитывая очень малую скорость дрейфа электронов в металле, с достаточной степенью точности мы можем ещё упростить (4), пренебрегая квадратами отношения скоростей. При этом получим
(5)
Значение сΔt определяет величину напряжённости поля Е, поскольку в этом случае напряжённость поля по закону Кулона будет равна
(6)
Как видим, при значительной скорости движущегося заряда поле на равном от него расстоянии начинает зависеть от угла α. Более того, согласно выражению (6) мы можем представить сам заряд, зависящим от направления, под которым она наблюдается, т.е. представить
(7)
расширив закон Кулона на область динамического поля. Правда, при этом следует учитывать не только изменение величины заряда от угла наблюдения, но и зависимость углов наклона напряжённости поля, которое в этом случае уже потеряет свою центральность, как было в законе Кулона для статических полей.
Величину этого наклона можно определить из того же рис. 5, а точнее, из Δ АРВ.
(8)
Картина распределения векторов напряжённости представлена на рис. 6.
Рис. 6. Распределение напряжённостей поля отрицательного заряда, движущегося со скоростью v = 0,2 c в положительном направлении оси х

Из построения видно, что вследствие движения заряда поле заряда стало неоднородным, увеличиваясь по амплитуде в тылу движения заряда и уменьшаясь по фронту. Также напряженность поля стала нецентральной силой, что обусловлено различием временён запаздывания прихода напряженности в исследуемые точки на равном радиусе вокруг мгновенного положения заряда. Этим же запаздыванием фактически определяется и различие амплитуд векторов, а из этого следует, что эквивалентный заряд Q не может рассматриваться как изотропный, как и подобная аналогия очень условна.
Теперь представим, что некоторый отрицательный заряд из общего числа электронов проводимости движущихся в металлическом проводнике и обладающих выше представленным полем, находится в некоторый момент времени в непосредственной близости от неподвижного положительного заряда той же величины, так, что дипольностью в обычном смысле этого слова можно пренебречь. Суммарное поле этих двух зарядов противоположных знаков с учётом (6) будет иметь вид
(9)
Из (9) мы видим, что результирующая напряжённость поля стала зависеть от скорости движения отрицательного заряда. Вместе с тем, убывание поля в пространстве будет определяться квадратичной зависимостью (а не кубической, как у диполя), как и у обычного заряда, но само поле станет принципиально иным. Несмотря на то, что мы полностью совместили заряды, и при стационарных зарядах должны были бы получить полную компенсацию, выражение (9) показывает, что эта компенсация не происходит. Вид распределения этой напряжённости поля представлен на рис. 7.
Рис. 7. Распределение совместного поля положительного и отрицательного зарядов, из которых отрицательный движется в положительном направлении оси х со скоростью v = 0,2 c.

Диаграмма показывает, что вследствие движения отрицательного заряда по фронту совмещённых зарядов начинает доминировать положительный, покоящийся заряд, и, как следствие, именно он определяет взаимодействие с внешними зарядами в данном направлении. В тылу и в соответствующем направлении доминирует поле отрицательного заряда и таким образом взаимодействие с внешними зарядами обеспечивают не только движущиеся заряды, но и неподвижные, как и воздействие осуществляется как на движущиеся электроны в проводнике, так и на сам положительный остов проводника. На периферии общего поля (т.е. в области 90 и 270 градусов) напряжённости поля разворачиваются, что становится принципиально важным при взаимодействии взаимно перпендикулярных токов, поскольку изменяет на противоположное направление действия напряжённости поля.
Продемонстрируем некоторые случаи взаимодействия токов.
Взаимодействие двух однонаправленных токов. Картина этого процесса представлена на рис. 8.
Рис. 8. Схема взаимодействия однонаправленных токов

Как видим, за счёт сложного поля совмещённых зарядов происходит притяжение как электронов, так и решётки металла.
При встречных токах картина изменяется, как показано на рис. 9.
Рис. 9. Схема взаимодействия при встречных токах

Теперь поля совмещённого заряда действуют на отталкивание.
Таким образом, при униполярном процессе работает схема однонаправленных токов, которая воздействует как на электроны, так и на решётку металла, приводя диск в движение. Притяжение/отталкивание испытывают оба заряда, хотя в металлах это обусловлено движением только отрицательного заряда. Именно этим механизм униполярного процесса отличается от механизма сопротивления в проводнике, что и приводит к отсутствию движения диска под воздействием тока без внешнего магнитного поля.
Вращение диска вместе с магнитом нисколько не влияет на сам процесс, как и не свидетельствует о вмороженности силовых линий магнитного поля, поскольку совместное движение обоих зарядов не приводит к появлению пондеромоторной силы. К этому приводит только различие в движении совмещённых зарядов.

Литература:
1. К.Б. Канн. О ПАРАДОКСАХ ФАРАДЕЯ.
2. К.Б. Канн. Увлекается ли магнитное поле его источниками?
3. Ф.Ф. Менде. Как формируется униполярная индукция?
4. Ф.Ф. Менде. Физико-энергетические процессы и установки, Инженерная Физика № 6. 2013, c. 7-13.
5. Э. Парселл. Курс физики, т. II, Электричество и магнетизм. М., Наука, 1971 г.
6. И.Е. Тамм. Основы теории электричества. М., Наука, 1986, с. 547-565.
7. Е.А. Штрауф. Курс физики, т. II, Электричество и магнетизм. Л., Судпром, 1963.
8. Dragons' Lord. Секреты униполярной индукции, диалог с А. Л. Родиным.
9. Н. Мурзаева. Что такое электрическое сопротивление?

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU