Описанные эксперименты отлично подтверждают конструктивную электродинамику.
А насколько согласуется с опытом эмпирическая электродинамика Максвелла-Лоренца - судите сами.
Примечание: В современной науке форма изложения гораздо важнее содержания.
В данном случае не вижу причин, почему нужно надувать щеки и делать важный вид. Серьезное изложение и тщательно выполненные опыты - в оригинале, по приведенным ниже ссылкам. А здесь - только крайне упрощенный вольный пересказ.
- Папа, папа, я решил твою задачу!
- Болван! Ты что наделал!? Твой дед сорок лет решал эту задачу, семью кормил. Я ее двадцать лет решал - тебя, оболтуса, вырастил. А ты теперь чем свою семью кормить будешь?
Немного об электромагнетизме, без формул и без цифр
«Электромагнитное взаимодействие полностью понято…»
(Г. Фритш «Основы нашего мира». Москва. Энергоатомиздат. 1985 г) «…До настоящего времени не было обнаружено ни одного эффекта, который потребовал бы видоизменения уравнений (Максвелла)» (Из Википедии, и не только).
Попробуем подтвердить эти золотые слова.
Несколько простых экспериментов.
Рассмотрим виток с током (на рисунке зеленый) и расположенные внутри его и снаружи - два других витка (синий и фиолетовый).
Вокруг витка с током образуется магнитное поле, которое пересекает два других витка снизу вверх и сверху вниз соответственно. Следовало бы ожидать, что при изменении тока в зеленом витке, во внутреннем и внешнем витках будут генерироваться токи, направленные в разные стороны, в противофазе. Однако токи будут синфазны.
Направление магнитного поля, пересекающего проводники, противоположно, но это направление совершенно никак не влияет на направление генерируемого в проводнике тока.
Опираясь на представление о силах Лоренца, которые действуют непосредственно на проводник (на заряды проводника), а также на здравый смысл, можно решить, что именно пересечение проводника магнитным полем как раз и должно что-то генерировать.
Однако со здравым смыслом наука распрощалась в 1905-м.
Оставим его и мы, и обратимся лучше к законам.
А закон гласит, что проводник здесь не причем, магнитное поле, каким бы переменным оно не было, на неподвижные заряды проводника не действует. Важна только дырка, вокруг которой проводник расположен: генерируемый в контуре ток пропорционален потоку вектора поля через площадь этого контура. А направление потока поля сквозь контур одно и то же для внешнего и внутреннего витка, поэтому токи синфазны.
Просто и ясно: поле на провод не действует, оно меняется в дырке, и за счет этого где-то в другом месте, в проводнике, появляется ЭДС. Впору ввести еще одно поле, которое связывало бы эти два разнесенных в пространстве явления.
Теория утверждает, а опыт подтверждает незыблемый закон:
ЭДС пропорциональна потоку вектора поля сквозь контур и скорости изменения этого потока.
Убедимся, что это так.
Возьмем магнитопровод с обмоткой и прорезью, и вставим в эту прорезь прямоугольный контур, как показано на рисунке.
Включаем переменный ток в обмотке, и измеряем полученный в контуре ток, который, как мы точно знаем, зависит от потока поля через площадь контура и от скорости его изменения.
Измерили.
Теперь берем магнитопровод с той же площадью сечения, и с той же обмоткой, только вдвое уже и вдвое длиннее. Вставляем в прорезь тот же контур, измеряем ток. Естественно, поток поля через контур тот же самый, значит и ток будет тот же самый (закон!)
Ан нет, не угадали - ток уменьшился вдвое - согласно уменьшению ширины магнитопровода.
Причин может быть только две:
или частота тока в цепи вдруг без причины понизилась вдвое,
или в физике действует основное правило юриспруденции: «Закон что дышло».
Получается, что поток сквозь контур не причем, поле действует на сам проводник, проходящий через сердечник.
Снова от законов возвращаться к здравому смыслу? Но ведь выше (с тремя витками) мы выяснили, что по здравому смыслу тоже не получается.
Нужно заметить, что теория электромагнетизма – самая надежная и проверенная в физике. Значит, другие еще хуже.
И где же выход?
А из любого положения, как известно, есть по меньшей мере два выхода.
Первый - академический: «Не бери в голову». Деды наши без контуров жили, и мы как-нибудь проживем. Моторы то крутятся, телевизор работает, люстра светится – что еще надо? Сиди, и радуйся.
Второй выход - физический: не довольствоваться эмпирически найденными полтора-два века назад зависимостями, а разобраться, с физическим механизмом электромагнетизма. За полтора-два века выяснилось все-таки, что не все зависимости успел найти Фарадей. А нынешняя наука занята денежными суперпроектами, и до дешевого уровня Фарадея (проволочки с ниточками) не опускается.
Но продолжим.
Попробуем изменять площадь контура.
Наматываем на сердечник первичную обмотку (на рисунке красным), и делаем петлю вторичного контур (синий).
Передвигая дальнюю от сердечника сторону контура, можем изменять его площадь.
Козе понятно: чем больше площадь вторичного контура, тем больше через него проходит силовых линий поля, и тем больше будет амплитуда ЭДС в нем. Закон так велит.
Но измерения показывают, что все происходит как раз наоборот.
Ясно, электроны в школе не учились, и законов не знают, иначе вели бы себя по другому.
Значит ЭДС наводится непосредственно в проводнике, и чем он ближе к сердечнику, тем больше индукция тока.
Проверим иначе.
Каждый знает, что в витке, помещенном в переменное магнитное поле, индуцируется круговой ток. Но между диаметрально противоположными точками витка (рисунок ниже) разность потенциалов нулевая. Если мы будем сжимать контур витка в однородном динамическом магнитном поле, то, очевидно, разность потенциалов между точками А и В (на рисунке) будет нулевая.
В пределе мы получим одиночный провод в однородном динамическом магнитном поле. И наводимая в нем ЭДС просто обязана быть равна нулю.
Так уж закон велит: на неподвижные заряды магнитное поле не действует. Да мы и сами можем убедиться по рисунку выше.
Делаем трансформатор с незамкнутым сердечником, как на рисунке ниже. Две первичные обмотки по сторонам, и щель в перемычке. Через щель пропускаем провод.
Как мы выяснили выше, ток в неподвижном проводе индуцироваться магнитным полем не может.
Включаем первичные обмотки так, чтобы магнитные потоки в перемычке совпадали, тогда имеем практически однородный поток поля через щель.
Включаем ток, проверяем:
В центре все идет по науке, ток не индуцируется. Не зря ведь говорят – самая проверенная и самая надежная теория. Вот вам и подтверждение!
Но и на солнце есть пятна: вопреки теории, к точкам А и В амплитуда тока возрастает, причем токи в А и В противофазны.
Видимо, после Фарадея никто не проверял "самую проверенную". Он заложил начала, но один не мог сделать всё-всё.
Хотя, напомним золотые слова: современная наука об электромагнетизме знает всё. Классическая электродинамика – давно пройденный этап, и больше науку не интересует. Она, опираясь на эти знания, ушла уже далеко вперед и ввысь.
Ой, как бы не упасть!
Мало того, что вопреки всезнающей науке ЭДС индуцируется в одиночном неподвижном проводе, но эта ЭДС еще и меняет направление без всяких на то причин – ведь условия в точках А и В совершенно одинаковы, поле одно и то же.
Если вспомнить забытое правило, что опыт «главнее» теории, и согласиться с фактом, что вопреки теории ток все-таки индуцируется в одиночном проводе, то противофазные токи в этих точках должны индуцироваться только тогда, когда потоки магнитного поля в зазоре противоположны. Но потоки в точках А и В однонаправлены, а токи в проводе почему-то противофазны.
Изменяем включение обмоток так, чтобы потоки магнитного поля в точках А и В были противоположны, включаем ток, проверяем:
Опаньки, снова все наоборот, не по науке. Потоки поля в точках А и В противоположны, а токи - синфазны, одинаковы, как близнецы.
Хуже того, ток должен быть пропорционален полю, но измерения показывают совсем другое: в центре зазора, где магнитного поля нет, амплитуда тока максимальна, а с удалением от центра, где магнитное поле растет, ЭДС убывает.
Ну, никакого уважения к законам.
Совсем распоясалась природа, не выполняет законы физики!
Попробуем усмирить по другому.
Намотаем первичные обмотки как на рисунке ниже.
Если обмотки подключть в противофазе, то магнитное поле в зазоре перемычки будет нулевым, и ЭДС генерироваться не должна.
Но прибор показывает наличие ЭДС.
Если же обмотки подключить синфазно, то магнитное поле в зазоре перемычки будет максимальным, и почти однородным, значит по всему сечению ток будет одинаков.
Но вопреки законам, ЭДС равна нулю в центре и возрастает с удалением от него, в противофазе слева и справа от центра.
Ну никак опыт не хочет соответствовать теории. И не только в вышеописанных экспериментах. Противоречий в электродинамике ну очень много.
А если опыт не соответствует теории - тем хуже для него, "лженаучного". Так сейчас принято, чтобы оградить безупречные теории от бесчинства природы. В науке все должно быть в ажуре.
В «серьезных» журналах такие пустяки не печатаются – не соответствуют они современным научным требованиям. Нет ни тензоров, ни многомерности, ни квантовых полей - ну, никакой наукообразности, а только факты, компрометирующие теорию. Дешевый уровень Фарадея. Слишком уж просто, и всем понятно. А это принижает авторитет науки.
К тому же факты противоречат самой проверенной теории – такую крамолу общественность знать не должна. Некоторые до сих считают, что наука должна подстраиваться под законы природы. Нет, негоже науке пресмыкаться перед опытными фактами. Написаны учебники, защищены диссертации, созданы многочисленные теории, прямо или косвенно опирающиеся на электродинамику, получены звания и премии - не рушить же все это великолепие! Гораздо проще и удобнее подгонять факты под теорию. Если делать наоборот, по старинке, то падает рентабельность и прибыль.
А Истина – она бесплатная, потерпит.
Вывод: если не считать некоторых мелочей, вроде того, что фундаментальные законы нередко работают с точностью до наоборот, то фундамент науки очень прочный – в отдельных случаях уравнения работают правильно: есть даже народная примета - если теория построена на опытных фактах, то она отлично подтверждается этими фактами. А уравнения электродинамики ниоткуда не выведены, а подобраны так, чтобы соответствовать фактам, добытым Ампером и Фарадеем. Да вот, не все факты они успели добыть, а после них, видно, некому было - да и не больно нужно, Максвелл уже все написал.
Эмпирика - промежуточный этап развития любой теории, когда уже найдены численные зависимости, но еще не понята физика процессов. Так, эмпирические уравнения эпохи теплорода до сих пор используются в теплотехнике, но после того, как выяснилось, что тепловая жидкость - на самом деле не жидкость, а процесс, кинетическую теорию уже никто не назовет эмпирической - она имеет ясные причины явлений. В существующей электродинамике этих причин нет - не доросла еще, - потому и называется эмпирической.
Застряла электродинамика на промежуточной стадии по ряду причин. Одна из них - формализм 4-потенциалов, надежно законсервировавший ошибки, другая - появление квантовой электродинамики, которая вобрала в себя все заблуждения классической электродинамики, и сдала ее - еще не выросшую из пеленок - в утиль.
Переход электродинамики от эмпирической стадии к конструктивной не может обойтись без уточнения основных уравнений. Но об этом наука не желает и слушать - по поводу необходимости разобраться с причинами противоречий в электродинамике академик Боголюбов сказал: "А зачем - ведь и так работает". Так что магнитные ловушки ТОКАМАКов приходится рассчитывать с помощью совершенно непригодных для этого уравнений. Но сотни миллиардов долларов были потрачены не зря, на этот счет в начале поста был эпиграф. Так и должно быть при существующей организации науки. А чтоб не дай бог кто… - так для этого неустанно бдят Гинзбург с Кругляковым.
Авторы вышеописанных опытов - Каравашкины С.Б. и О.Н. (Харьков).
Детальное описание можно посмотреть здесь:
Другие опытные данные здесь:
Эксперименты Томилина А.К.
Экспериментальные парадоксы электродинамики. Николаев Г.В.
Есть мнение, что на противоречия теории опыту не стоит обращать внимание. Ну, предсказывает теория совсем не то, что наблюдается на практике, но ведь не всегда, только в ряде случаев, а в целом работает, - и слава Богу. Стоит ли парить мозги и размениваться на пустяки: вот когда подтвердятся квазинаучные фантазии Хокинга и Хиггса, то все старые недочеты решатся сами собой.
Нет смысла разубеждать, вера аргументам не внемлет.
Противоречия электродинамики лежат в фундаменте физики, и все свервеликие супертеории построены на ошибках, заложенных в этот фундамент.
И если опыт требует этот фундамент пересмотреть, то все надстройки неизбежно рухнут: фундамент - он и есть фундамент.
Только кто же допустит святотатство? Поиск истины - не основная задача науки, система растит защитников диссертаций и соискателей премий - стоит ли рубить сук, на котором сидишь?
Попытки подправить электродинамику так, чтобы устранить противоречия, предпринимались не раз, но косметические меры никак не затрагивают корни проблем, заблуждения и ошибки, заложенные в ее основу. Исправлять нужно причины трудностей, следствия изменятся сами собой.
Уже свыше полувека говорят и пишут о том, что физика зашла в тупик, но все попытки выбраться оттуда не увенчались успехом и по сей день.
Где же выход из тупика?
Правильно: там же, где и вход в него.
Можно назвать и дату поворота в тупик: 1882-й год.
Уверенная в своем всезнайстве наука должна остановиться в неуемном стремлении вперед, все дальше в тупик, и поразмыслить, как и почему она в таком положении оказалась. Привели ее туда оставленные позади нерешенные проблемы, пренебрежение к фактам, которые не вписываются в теории, и игнорирование противоречий в этих теориях. Ошибки и заблуждения, заложенные в фундамент, многократно множатся в дальнейших надстройках. Такие "таинства", как нормировки, калибровки, обрезания, абстрактные символы и функции, лишенные внятного физического смысла, окружают физику ореолом высокого наукообразия, и в силу привычки мало кто осознает, что этим заплаткам и костылям полузнания нет места в корректных теориях. Поль Дирак писал об этом в своей книге "Пути физики".
Проблема в том, что инструмент физики – математика – возомнила, будто она и есть физика. Лопата заняла место Архитектора, и роет туда, где мягче, и красивее блестит. Необходимо оставить увлечение псевдонаучной мишурой и вернуться назад, к истокам, пересмотреть основы, те самые "давно пройденные этапы", опуститься до которых мешает гипертрофированное самомнение. Истоки всех проблем - там, в кривом фундаменте, и никакие перестройки на вершине положения не исправят.
После анализа проблем электродинамики и исправления нескольких заблуждений и ошибок, вполне естественных на заре ее становления, в этой науке всё становится на свои места. Внутренние противоречия исчезают вместе с устранением их причин, и теория приходит в полное согласие с опытом.
Кроме того, становится понятным, что такое магнитное поле, появляется ясное представление о причинах и механизмах всех электромагнитных процессов и явлений - в отличие от эмпирической теории, где эти явления происходят без причин.
Так, в эмпирической теории магнитное поле "возникает" при движении зарядов, но по какому волшебству происходит это чудесное возникновение, теория умалчивает. Точно так же умалчивается причина всех электромагнитных явлений, формальные зависимости сами по себе ничего не могут сказать об их причинах, физических механизмах. Когда-то эти причины искали, но теперь беспомощность стала привычной и уже не замечается, что она свидетельствует о некорректности теории.
Поскольку на электродинамику опирается практически вся физика, то метастазы ее ошибок неизбежно распространились и в другие области. Слепая вера в непогрешимость этой теории заставляла искать решение проблем физики где угодно, только не там, откуда они происходят.
Решение проблем электродинамики автоматически устраняет ряд серьезных трудностей других теорий, или же открывает пути к их разрешению. Кроме того, корректная электродинамика подводит "общий знаменатель" под разрозненную мозаику физических представлений, открывая путь к объединению электричества, гравитации и основ квантовой теории в единое и неразрывное целое. Заметим - без недоказуемо-непроверяемых мифических многомерностей, а на основе хорошо известных фактов, предельно ясных и поддающихся опытной проверке положений.
Однако всякая работа требует времени и сил, а кушать хочется, поэтому, на этом сайте выложено пока что далеко не все. Для человечества гораздо важнее гол, забитый в чьи-нибудь ворота, чем прогресс знаний. Науке, которая дала возможность показывать этот гол миллионам болельщиков и делать на этом деньги, не перепадает ни-че-го.
Думаю, читателям было бы интересно, что описанные исследования продолжаются и уже обнародован комплекс экспериментов, однозначно экспериментально и математическим моделированием доказывающий, что индукционный процесс обусловлен прямым воздействием тока на проводник, а не некоторым мифическим магнитным полем. Что никакого вихревого электрического тока не существует, что взаимодействие между взаимно движущимися магнитом и проводником является симметричным процессом и индукция возбуждается независимо от того, что по отношению к чему движется. Ток же в контуре обусловлен суммой воздействий на его части, а не на плоскость контура в целом. При этом токи Фуко не являются вихревыми, хотя и замкнуты через область слабого поля индуцирующего тока. Также ток Фуко состоит из двух компонент: ориентационной и электронной. Ориентационная компонента возбуждается в ферритах и направление эквивалентного тока направлено вдоль индуцирующего тока. Электронная компонента тока Фуко направлена встречно индуцирующему току. Указанные исследования опубликованы здесь
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
И это ещё далеко не конец исследованиям. Чем дальше проникает познание процесса индукции, тем шире диапазон технологических применений, тем осознаннее процессы, которые до этих работ считались фокусами природы. Но фокусы не у самой природы, а в расхождениях между природными явлениями и моделью магнитного поля, которой пытались их описать. Теперь противоречия успешно снимаются одно за другим, открывая дорогу новым технологическим решениям.
Во второй части мы проследили изменение амплитуды и фазы накладок с электронной и ориентационной компонентами тока Фуко. Определили, что максимумы эдс приходятся при совмещении центра накладок с границами вторичной обмотки. Перефазировка эдс происходит в центре вторичной обмотки, а фазы для электронной компоненты изменяются от нуля до минус180 град. и у ориентационной – от нуля до плюс 180 град.
Также экспериментально установлена эквивалентность электронной компоненты тока Фуко и короткозамкнутого контура. Исходя из этой эквивалентности доказано, что фаза токов Фуко смещена по отношению к фазе индуцирующего тока на четверть периода. Причём для электронной компоненты имеет место запаздывание, а для ориентационной – опережение по фазе. Даны базовые зависимости. Представлены эксперименты по компенсации токов Фуко исходя из особенностей выявленной структуры этих токов.
Как общепринято, «>токи Фуко – это токи, которые возникают в массивном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле. Токи Фуко имеют вихревой характер. Если обычные индукционные токи движутся по тонкому замкнутому проводнику, то вихревые токи замыкаются внутри толщи массивного проводника. Хотя при этом они больше ничем не отличаются от обычных индукционных токов»[1]. По правилу Ленца, эти токи направлены так, чтобы противодействовать причине, их вызвавшей[2],[3]. «>Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле проводники испытывают сильное торможение из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем»[2]. «>Токи Фуко экранируют переменное магнитное поле так, что оно не проникает вглубь проводника. Однако токи Фуко не могут экранировать статическое магнитное поле, так как из-за омического сопротивления они не могут существовать вечно. Статическое магнитное поле свободно проникает в проводник. Однако чем быстрее изменяется поле, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. В хороших проводниках, где омические потери малы, уменьшение глубины проникновения поля становится заметным при весьма умеренных частотах» [4]. Считается, что этим обусловлено размагничивающее действие токов Фуко. Оно «>сильнее проявляется в середине сердечника и меньше на его поверхности, так как участки в середине сердечника охватываются большими вихревыми токами, чем участки, близкие к поверхности»[5]. Как установлено, в сверхпроводниках этот эффект присущ даже постоянным токам из-за отсутствия сопротивления проводника. «>При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения» [6].
В рамках теоретической физики, исходя из общего признания вихревой природы токов Фуко, а значит, и вихревого характера электрического поля[7], их описание основывается на индукционной паре уравнений Максвелла[4]:
(1)
В предположении равенства нулю плотности ρ свободных зарядов в проводнике и стандартной связи между плотностью тока и напряжённостью поля
(2)
получают уравнение для напряжённости магнитного поля, описывающего токи Фуко, как и скин-эффект:
(3)
При этом «>сила вихревого тока по закону Ома равна”
(4)
“>где Φm – магнитный поток, сцепленный с контуром тока, R – сопротивление цепи вихревого тока. Подсчитать это сопротивление трудно. Однако совершенно очевидно, что оно тем меньше, чем больше удельная проводимость проводника и чем больше его размеры» [8].
Поэтому для расчёта потерь от токов Фуко обычно пользуются приближёнными формулами, в которых удельные потери зависят от сорта железа, толщины железных листов, частоты индуцирующего поля и максимальной индукции этого поля[5][8].
Как мы можем видеть, характер токов Фуко связывается исключительно с проводимостью проводника и их структура обуславливается исключительно фактом проводимости металлов, будучи одинаковой, как для ферро-, пара-, так и для диамагнетиков. Направленность этих токов встречна индуцирующему переменному полю, хотя сами указанные вещества во внешних полях ведут себя принципиально различно. Как известно[10], диамагнетики создают собственное поле, направленное встречно внешнему, пара- и ферромагнетики создают поля, направленные по направлению внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся, в частности, инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и т.д., к парамагнетикам относятся алюминий; воздух. К ферромагнетикам относятся, в частности, железо, никель, кобальт. Но это различие, как считается, не оказывает существенного влияния на сущность токов Фуко.
Проводимые эксперименты тоже не вскрывают данное различие. Большинство из них сводится к торможению падения проводящих тел в неоднородном магнитном поле или к демпфированию колебаний металлического маятника[2],[8][11]. При этом считается, что для опытов «>рекомендуется брать именно медную или алюминиевую пластины, так как у этих материалов мало удельное сопротивление. Следовательно, сила тока в них будет большей и эффект проявится более явно»[1].
Второй комплекс экспериментов с токами Фуко связан с индукционным нагревом как проводящих тел, так и диэлектриков (в частности, сушка древесины[12]). В теорию данного процесса заложена та же основа, базирующаяся на уравнениях Максвелла и вихревом характере индуцирующего электрического поля. Использование стандартной базы предопределяет и акценты, на которых строится моделирование. И хотя учитываются изменения магнитной проницаемости ферромагнетиков с температурой, существенное различие токов Фуко от вида магнетика не проводится, как и ограничивается случаем ферромагнетика. В работах, посвящённых индукционному нагреву алюминия[13],[14], феноменологическая база также сводится к стандартному представлению вихревых токов, возбуждающих поле встречной направленности возбуждающему полю и на этом строится моделирование процесса.
Вместе с тем, для промышленно выпускаемых индукционных бытовых печей, главным условием эксплуатации является ферромагнитный материал используемой посуды. При любом ином материале, даже для неферромагнитной стали, печь работать отказывается[15]. Это свидетельствует об определённых нюансах, которые не учитываются существующей моделью вихревых токов, несмотря на обилие научных разработок и технологического использования самого процесса.
Для исследования особенностей вихревых токов была разработана специальная головка со взаимно перпендикулярными обмотками, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема и общий вид (a) головки для исследования вихревых токов, а также схема мгновенных вихревых токов в сердечнике (I 2) и в накладке 4 (I 3) этой головки с точки зрения стандартной концепции (b) при мгновенном токе в первичной обмотке I 1; 1 – сердечник из ферромагнитного материала (трансформаторное железо Э330), 2 – первичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 3 - вторичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 4 – накладка из исследуемого материала размером 15х15х6 мм
Обе обмотки головки были намотаны на подвижном каркасе из фторопласта для регулировки взаимной перпендикулярности. Размер исследуемой накладки выбирался несколько большим свободного от обмоток пространства, с целью, которая будет ясна из дальнейшего исследования. Индукционные токи, возникающие в сердечнике и накладке с точки зрения современных представлений о встречном вихревом характере этих токов, представлены на рис. 1b. Как следует из этого построения, при наложении ассиметричной накладки ток во вторичной обмотке принципиально возникнуть не может из-за взаимной перпендикулярности этих токов виткам вторичной обмотки.
Электрическая схема эксперимента представлена на рис. 2.
Рис. 2. Электрическая схема эксперимента.
Опыт проводился на частоте 20 кГц, амплитуда входного сигнала составляла 2В, синхронизация осциллографа была внешняя и осуществлялась по сигналу, подаваемому на первичную обмотку головки.
В качестве накладок, ассиметрично устанавливаемых в углах головки, использовались четыре материала: медь – диамагнетик, алюминий – парамагнетик, трансформаторное железо и феррит – ферромагнетики. Вид накладок представлен на рис. 3.
Рис. 3. Вид накладок, используемых в исследовании.
Все накладки были изготовлены из нескольких слоёв. Медная накладка содержала 8 слоёв, алюминиевая – 4 слоя, железная – 20 слоёв и феррит – 2 слоя. Всё это было склеено клеем Стелс. Указатели положения, наклеенные на каждой из накладок, были установлены на их середину. Шкала делений на головке также была установлена на середину первичной обмотки, расположенной вертикально. Общий вид установки показан на рис. 4.
Прежде всего, был исследован сам факт индукции во вторичной обмотке при асимметричном наложении накладок из различных материалов. Как было уже сказано, синхронизация осуществлялась по входному напряжению на первичную обмотку головки. Результаты опыта представлены на рис. 5.
a) медь
b) алюминий
c) железо
d) феррит
Рис. 5. Осциллограммы эдс индукции во вторичной обмотке головки (нижняя осциллограмма) в зависимости от материала и местоположения накладки на головке
Как видно из осциллограмм, для меди и алюминия эдс индукции противофазна индуцирующему току (правые фото). У феррита в этом положении наблюдается синфазность. Отклонения для железа будут прояснены далее. Кроме того, видно, что перемещение накладки из правого угла в левый приводит к изменению фазы эдс на 180°. Различие фаз свидетельствует, что природа возникновения эдс индукции в ферромагнетиках, с одной стороны, и пара- и диамагнетиках, с другой стороны, различна.
Чтобы выявить траекторию эдс индукции, было использовано то, что все накладки были набраны из пластин. В этом втором эксперименте накладки ставились в один и тот же угол измерительной головки, вдоль и поперёк плоскости головки. Результаты представлены на рис. 6.
a) медь
b) алюминий
c) железо
d) феррит
Рис . 6. Характер токов индукции в накладках из исследуемых материалов при их повороте относительно измерительной головки
Из осциллограмм мы видим, что при повороте накладок из меди и алюминия сигнал значительно ослабляется. Это говорит о том, что возникает существенное сопротивление вихревому току. В феррите сигнал почти не изменяется, что свидетельствует об отсутствии индукционного тока, характерного меди и алюминию, но присутствует ток второго типа, характерный ферромагнетику. Этот ток синфазен возбуждающему. В железной накладке при повороте на торец изменяется не только амплитуда, возрастая на торце, когда токи Фуко уменьшаются, но изменяется и фаза сигнала. Это бывает только в том случае, когда результирующая фаза сигнала зависит от амплитуд исходных компонент, что легко показать тригонометрически. Действительно, если предположим, что исходные составляющие результирующего сигнала строго смещены приблизительно на 180° и имеют различные амплитуды, то
(5)
Понятно, что при изменении амплитуд вследствие изменения условий протекания токов в накладках, будет смещаться и амплитуда результирующего сигнала AΞ, и результирующая фаза φΞ. Описанный характер токов представлен на построении, приведенном на рис. 7.
a) Индукционные токи в пара- и диамагнетиках
b) Индукционные токи в ферритах
c) Индукционные токи в железе
Рис. 7. Схема возбуждения электронных Ie и ориентационных Ic токов
В случае пара- и диамагнетиков торцевое расположение накладки (справа) приводит к тому, что вместо единого тока Ie в ней образуются токи в каждой пластине, которые индуцируются не всей областью контакта накладки с индуцирующим проводником, а только частью, ограниченной толщиной пластины. А значит, этот индуцирующий ток при повороте накладки с плоскости на торец будет индуцировать и меньший ток во вторичной обмотке.
В случае феррита ситуация изменяется. Ток Ic образуется молекулярными токами феррита. Электронный ток в феррите практически отсутствует из-за высокого его электрического сопротивления, а молекулярные токи мало зависят от ориентации феррита, вследствие чего поворот практически не изменяет амплитуду тока во вторичной обмотке.
В железе присутствуют оба тока, а потому изменение тока Ie приводит, как показано в общем случае нами, к изменению и амплитуды, и фазы сигнала, поскольку этот ток компенсирует ток Ic.
Кстати, конкурирующее действие указанных токов приводит и к неверной физической трактовке пара- и диамагнетизма, предполагающей некие особые способы разворота орбиталей атомов у диамагнетиков, чтобы создавать поле, встречное индуцирующему. Как показал вышеприведенный эксперимент, различие между магнетиками сводится исключительно к соотношению индуцирующих токов. В диамагнетике Ie превышает Ic, вследствие чего формируется встречное поле. В пара- и ферромагнетиках соотношение токов обратное, поэтому формируется поле по направлению внешнего индуцирующего поля. Данная особенность приводит и к неверному измерению относительной магнитной проницаемости пара- и диамагнетиков. Фактически, когда измеряется проницаемость этих веществ, измеряют её с компенсирующим действием тока Ie . Чтобы измерить реальную магнитную проницаемость, нужно измерять мелкодисперсную фазу вещества, скреплённую изолирующим компаундом с μ = 1. Эта особенность тоже является причиной многих парадоксов в электромагнетизме.
Также следует обратить внимание и на тот факт, что уменьшение индукционного тока во вторичной обмотке обусловлено уменьшением области контакта пластины накладки с индуцирующим проводником. Опять-таки, как и в предыдущих наших экспериментах, выясняется, что индуцирующие токи возбуждаются не неким мифическим магнитным полем, а конкретным изменением взаимного положения проводников или изменением тока в индуцирующем проводнике и для электронного тока Ie пропорционально области контакта проводника с материалом накладки. Фактически, в накладке формируются невихревые токи. Ток возникает исключительно в области контакта, а далее он уже замыкается через тело накладки в области слабого индуцирующего взаимодействия. Вследствие этого электрическая цепь тока может быть представлена, как показано на рис. 8.
Рис. 8. Эквивалентная схема токов Фуко в пара- и диамагнетиках
Согласно данной схеме, электрическое поле, индуцирующееся в пара- и диамагнетиках, не является вихревым. Оно остаётся потенциальным, как и во всех остальных проявлениях, но сам ток, возбуждаемый в материале, замыкается через тело проводника, создавая иллюзию циркулярности.
Вышесказанное подтверждается и следующими двумя экспериментами. В первом из них устанавливается противоположность направленности электронного тока Ie и ориентационного молекулярного тока Ic . Как мы могли обратить внимание в первом из приведенных экспериментов, при смещении накладки из одного угла измерительной головки в другой, фаза эдс во вторичной обмотке всегда изменялась на 180° (или близко к этому). Что произойдёт, если мы установим накладки из разных материалов на оба угла головки? На рис. 9 представлены результаты этой операции. На снимках слева показаны эдс во вторичной обмотке при установке одной из накладок. На снимках справа – обоих указанных в подписи к снимкам накладок.
a) медь и алюминий
b) Железо (плоскостью) и феррит
c) Железо (торцом) и феррит
d) Феррит и медь
e) феррит и алюминий
f) Железо (плоскостью) и медь
g) железо (плоскостью) и алюминий
h) Железо (торцом) и медь
i) Железо (торцом) и алюминий
Рис. 9. Осциллограммы индукции, возбуждаемой во вторичной обмотке парными накладками
На приведенных осциллограммах пары медь – алюминий (рис. 9a), как и медь – феррит (рис. 9d) и алюминий – феррит (рис. 9e) полностью соответствуют ожидаемой эдс. Ведь в свете вышесказанного, если с разных сторон обмотки расположены материалы, возбуждающие в ней эдс противоположной или одной направленности, то суммарная эдс будет соответственно возрастать или уменьшаться, как показано на рис. 10.
a) медь и алюминий
b) медь и феррит
Рис. 10. Схемы токов в накладках
Иными словами, если в материале обеих накладок доминирует электронная или ориентационная компонента, то результирующая эдс будет определяться разностью эдс, наводимой во вторичной обмотке каждой накладкой. Если накладки будут из материалов с различной токовой компонентой, то результирующая эдс будет суммироваться. При этом, как можно убедиться на указанных фото (рис. 9a, d, e) добавление второй наставки не смещает фазу индуцируемой эдс, но только изменяет амплитуду.
Железо здесь занимает особое положение в связи с тем, что в ней возбуждаются обе компоненты токов. Характерным является опыт в паре с ферритом (рис. 9 b, с). Когда железная накладка приложена к головке плоскостью, то в ней индуцируется суммарный ток, противоположный току в феррите. При этом она ведёт себя как парамагнетик, с той лишь разницей, что смещает фазу и амплитуду результирующего тока. Последнее же, как и понятно, обусловлено тем, что в железе индуцируются обе компоненты тока. Если же мы развернём железную наставку торцом, тем самым уменьшив электронную составляющую тока Фуко, то она ведёт себя как ферромагнетик, уменьшая амплитуду результирующей эдс.
В то же время, с медью и алюминием (рис. 9 f, g, h, i) железо ведёт себя как ферромагнетик, независимо от ориентации по отношению к головке. Во всех случаях будет наблюдаться рост амплитуды индуцируемой эдс. Несовершенство же по сравнению с ферритом будет проявляться в том, что фаза эдс будет смещаться, что свидетельствует о возбуждении в железе обеих компонент тока, но рассмотрение вопроса о фазе индуцируемого тока, как и окончательное доказательство того, что именно ток, а не магнитное поле как некоторая сущность индуцирует эдс во вторичной обмотке, мы оставим для второй части исследования.
(Продолжение следует)
Литература.
1. .
2. .
3. .
4. И. А. Котельников, В. С. Черкасский. .
5. . Глава 8. Магнитные цепи с переменными магнитодвижущими силами (Электронный курс лекций).
6. .
7. .
8. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, М.Б. Милковская. , т. II, Электричество и магнетизм, Глава XIX. Электромагнитная индукция. § 19.3. (токи Фуко), c. 274-276, М. ВЫСШАЯ ШКОЛА, 1977, 375 с.
9. К.И. Шенфер. , гл. XI, п. 98. Формулы для подсчёта потерь на токи Фуко. Государственное объединенное научно-техническое издательство, 1938г.
10. способны под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться)
11. (вихревые токи)
12. Ф.Е. Слухацкий, В.С. Немков, Н.А. Павлов, А.В. Бамунэр. . Л., Энергоиздат, 1981, 328 с.
13. Н.В. Заикина. , вращающихся в магнитном поле постоянного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
14. Н.С. Некрасова. для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
15. .
Ольга и Сергей Каравашкины
8 октября 2014 г.
Лаборатория СЕЛФ
ps: Уважаемый Андрей, попробовал перевести на теги первую часть. Не знаю, как получилось. Не знаю, как в Вашей программе работает совмещение тегов [IMG] и [ALIGNCENTER], [URL=] и [B], есть ли изменение границ для подписей хотя бы другим размером шрифта? Нет нижних и верхних индексов, нужно ли отдельно ставить теги на греческие буквы. Трудно с цитатами. Не знаю зачем вначале цитат “>”? Нужно ли это закрывать или поставить как я поставил? Может быть вообще оставлять только кавычки? Проблема с выделением цветом. Час то просто пишут текст . Но делёж по двузначной маркировке цветов не принят ни в Word, ни в Paint. Так что мог получиться кавардак. Посмотрите, пожалуйста.
Показано влияние маскирующих эффектов на анализ проводимых экспериментов. Приведенный разбор конкретных маскирующих эффектов и последующее отклонение пути познания в сухие ветки абстрактных представлений показывает, сколь скрупулёзно следует подходить к каждому эксперименту и какие последствия проявляются от пренебрежения теми или иными факторами, вследствие попыток мыслить из экономии или втискивания новых эффектов в границы старых представлений без непредвзятого решения возникающих проблем. Подобная погоня за новыми эффектами превращается в поиски фокусов, а за спиной исследователей остаётся всё больше белых пятен, противоречий, дуализмов, наслаивающихся друг на друга, не добавляя ничего к продвижению познания, но лишь создавая некоторую иллюзию наукоподобности знания. Понятно, что сколь бы скрупулёзны ни были исследования, опасности маскирующих эффектов избежать полностью невозможно, но второй продемонстрированной причиной укрепления маскирующих эффектов является человеческий фактор. Если бы учёные не увлеклись красотой четырёхмерного инварианта и непредвзято проанализировали даже те аспекты, которые тогда были выявлены, наука уже в начале 20-го века пошла бы по совсем иному пути без парадоксов и дуализмов, застрявших, как палки в колёсах развития науки. Тогда и кризиса науки не было бы, а с таким торможением будем ещё сотню лет не развитием знаний заниматься, а преодолевать буреломы, наваленные нами самими в попытках втиснуть старые проблемы в новые решения.
В предположении равенства нулю плотности ρ свободных зарядов в проводнике и стандартной связи между плотностью тока и напряжённостью поля
получают уравнение для напряжённости магнитного поля, описывающего токи Фуко, как и скин-эффект:
При этом «>сила вихревого тока по закону Ома равна”
“>где Φm – магнитный поток, сцепленный с контуром тока, R – сопротивление цепи вихревого тока. Подсчитать это сопротивление трудно. Однако совершенно очевидно, что оно тем меньше, чем больше удельная проводимость проводника и чем больше его размеры» 
Рис. 1. Схема и общий вид (a) головки для исследования вихревых токов, а также схема мгновенных вихревых токов в сердечнике (I 2) и в накладке 4 (I 3) этой головки с точки зрения стандартной концепции (b) при мгновенном токе в первичной обмотке I 1; 1 – сердечник из ферромагнитного материала (трансформаторное железо Э330), 2 – первичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 3 - вторичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 4 – накладка из исследуемого материала размером 15х15х6 мм
Рис. 2. Электрическая схема эксперимента.
Рис. 3. Вид накладок, используемых в исследовании.
Рис. 4. Общий вид установки: 1 – осциллограф, 2 – измерительная головка, 3 – генератор сигналов, 4 – выходной мощный каскад, 5 – питание выходного каскада
a) медь
b) алюминий
c) железо
d) феррит
a) медь
b) алюминий
c) железо
d) феррит
Понятно, что при изменении амплитуд вследствие изменения условий протекания токов в накладках, будет смещаться и амплитуда результирующего сигнала AΞ, и результирующая фаза φΞ. Описанный характер токов представлен на построении, приведенном на рис. 7.
a) Индукционные токи в пара- и диамагнетиках
b) Индукционные токи в ферритах
c) Индукционные токи в железе
Рис. 8. Эквивалентная схема токов Фуко в пара- и диамагнетиках
a) медь и алюминий
b) Железо (плоскостью) и феррит
c) Железо (торцом) и феррит
d) Феррит и медь
e) феррит и алюминий
f) Железо (плоскостью) и медь
h) Железо (торцом) и медь
i) Железо (торцом) и алюминий
a) медь и алюминий
b) медь и феррит
