Проблемы униполярной индукции

Ранее в эксперименте с униполярным генератором[1] мы показали, что при движении магнита относительно диска в последнем возникают токи – как с внешней стороны магнита, так и внутри поля магнита, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема возникновения эдс индукции Еинд в проводящем теле при его относительном движении с постоянным магнитом; а) направление возникающей эдс, b) вихревые токи, возникающие вследствие возбуждаемой эдс индукции

Это прекрасно моделируется с точки зрения концепции эквивалентных токов и не может моделироваться с точки зрения потоков индукции Максвелла. Сторонники последней в качестве возражения используют аргумент, что вне сечения магнита силовые линии магнитного поля якобы изгибаются, вследствие чего происходит инвертирование эдс индукции. Но несложно усовершенствовать опыт, стандартно дополнив магнит магнитнопроводом, как показано на рис. 2.
Рис. 2. «На схеме d обозначает диск со скользящими контактами ВВ' у оси и на окружности. N и S обозначают два полюса магнита» [2] .

В этом случае, как известно, замыкание силовых линий будет происходить между полюсами, как показано на рис. 3
Рис. 3. Замыкание силовых линий магнитного поля между полюсами магнитопровода [3, с. 53] .

Здесь «поворота» силовых линий уже нет. Все силовые линии замыкаются на полюсах магнитопровода. Тем не менее, осциллограммы индуцируемого в диске тока останутся теми же. Только амплитуда возрастёт за счёт того, что на электроны диска будут действовать эквивалентные токи как нижней, так и верхней части магнитопровода.
Это полностью лишает объяснения процесс индукции с точки зрения концепции потока магнитного поля.
Расхождение между объяснением и физикой процесса на основе вектора индукции продолжается и в случае униполярных генераторов на основе магнитов, диаметр которых сравним с радиусом диска, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Схема бесстаторного униполярного генератора[4]

«Парадокс данного устройства заключается в том, что если вращать диск-проводник,
то ЭДС появляется, если вращать магнит, ЭДС нет. А если вращать диск вместе с магнитом как одно целое, то ЭДС опять есть.
Второй парадокс заключается в том, что если изменять поле магнита по величине,
то ЭДС в контуре не появляется.
Третий парадокс – если увеличивать площадь контура за счет движения дальней его части, то ЭДС падает а не возрастает, как по теории Максвелла»[5].
Поскольку в арсенале всех исследователей до сих пор было только два варианта индукции – по Фарадею и по Лоренцу (базирующихся на концепции магнитного поля Максвелла)[6], то и объяснения исходили из этих представлений. Так, Парселл в своём курсе по электромагнетизму[7, с. 231-233] пытался свести различие к переходу из одной системы отсчёта в другую, в одной из которых проводник двигался по отношению к магнитному полю, в другой – наоборот. При этом в первой системе отсчёта в проводнике возникала сила Лоренца
(1)
Во второй системе отсчета магнитное поле не действовало (при малых скоростях взаимного движения), но за счёт перехода между системами отсчёта появлялось электрическое поле, компенсирующее поле в проводнике за счёт поверхностного перераспределения зарядов в этом внешнем поле.
Понятно, что данное объяснение не выдерживает элементарной критики. Если в одной системе отсчёта во внешней цепи протекал индуцируемый ток, то и в другой системе отсчёта этот ток, как и обусловленный им нагрев нагрузки, должен сохраниться. Отсутствие же тока во внешней цепи в случае неподвижного проводника при наличии оного при движении в магнитном поле однозначно свидетельствует, что переходом из одной системы отсчёта в другую проблема с физикой процесса не решается, хотя все исследователи униполярной индукции в бесстаторном генераторе неизменно опираются на действие силы Лоренца, что даже отражено на рис. 4, на котором базовая формула является частным случаем (1) для вращающегося диска.
Тем более, что ещё Тесла в своих лекциях указывал: «в данном эксперименте магнит может не вращаться или даже может вращаться в направлении, противоположном направлению вращения диска» [8, L-70].
Таким образом, относительное движение магнита и проводника ни в коей мере не определяет процесс униполярной индукции в исследуемом случае бесстаторного генератора.
То же было отмечено и в [9]: «Вращение магнита не изменяет однородность магнитного поля вокруг оси вращения (см. последний раздел), поэтому стоит магнит или вращается – не играет роли (хотя идеальных магнитов не бывает, и неоднородность поля вокруг оси намагниченности, вызванная недостаточным качеством магнита, тоже оказывает некоторое влияние на результат).
Здесь важную роль играет то, какая часть всей цепи (включая подводящие провода и контакты) вращается, а какая неподвижна (т.к. только в движущейся части возникает сила Лоренца). А главное – в какой части магнитного поля находится вращающаяся часть, и из какого участка диска производится съем тока.
Например, если диск будет выступать далеко за пределы магнита, то в выступающей за край магнита части диска можно снять ток направления, противоположного току, который можно снять в части диска, расположенной непосредственно над магнитом».
Но привязанные к концепции силы Лоренца пытаются, как в воё время сам Максвелл[10], втиснуть не поддающиеся объяснению опыты в прокрустово ложе потока магнитного поля: «Соответственно, когда диск вращается, а магнит неподвижен, то действие-противодействие происходит между магнитом и частью диска. А когда магнит вращается вместе с диском, то действие-противодействие происходит между магнитом и внешней частью цепи (зафиксированными подводящими проводниками). Дело в том, что вращение магнита относительно внешнего участка цепи – это то же самое, что вращение внешнего участка цепи относительно неподвижного магнита (но в противоположную сторону). В этом случае медный диск в процессе "отталкивания" почти не участвует»[9]. Но если бы было так, и сам диск не принимал бы никакого участия в процессе индукции при совместном вращении, то какая разница была бы, стоит он или движется вместе с магнитом?
Кроме того, существует опыт Тесла с секционированным диском
Рис. 5. Схема секционированного диска униполярного генератора Тесла

«Если разделение будет сделано по сплошным линиям на Рис.5, то очевидно, если ток течет в том же направлении, что и раньше, то есть от центра к краю, его влияние будет усиливать возбуждающий магнит.
Тогда как если разделение будет сделано по пунктирным линиям, то генерируемый ток будет стремиться ослабить магнит. В первом случае машина будет способна возбуждать сама себя, когда диск вращается в направлении стрелки D; в последнем случае направление вращение должно быть изменено на обратное»[11].
Из этого прямо следует, что при том, что само вращение магнита не влияет на эдс индукции в диске, а при совместном вращении, как предполагают, всё определяет внешняя цепь, разницы от наклона секторов вообще не должно было бы быть. Опыт же показывает, что она есть и может как увеличивать, так и уменьшать эдс индукции.
К этому следует добавить важный момент. Рассматривая процесс с точки зрения силы Лоренца, не обращают внимание на то, что согласно этому закону максимальная эдс возбуждается при строгой перпендикулярности проводника направлению его движения v и направлению индукции В. Это обусловлено векторным произведением в (1). Если проводник наклонён к направлению своего движения, то эдс будет уменьшаться, а при параллельности вообще обратится в ноль. В то же время, согласно опытам Тесла, наклон мог приводить как к росту, так и к уменьшению эдс.
Совокупность изложенных противопоказаний объяснению эффекта с помощью силы Лоренца демонстрирует некорректность данного объяснения, неспособного непротиворечиво объяснить все эффекты в комплексе.
Рассмотрим описанные эффекты с точки зрения концепции токовых полей. В качестве первой схемы рассмотрим движение диска по отношению к неподвижному магниту, вид которой представлен на рис. 6.
Рис. 6. Схема униполярного генератора с вращающимся диском над неподвижным магнитом

В проекции сверху эта схема примет вид, показанный на рис. 7.
Рис. 7. Схема униполярного генератора с вращающимся диском сверху
Из этой схемы мы видим, что вращение диска приводит к возникновению тока Ie, встречного направлению вращения. В отсутствие магнита проявление этого тока компенсируется током остова, направленным в противоположную сторону, т.е. по вращению диска. Также следует отметить, что как само вращение абсолютно, так и данный ток также абсолютен, поскольку возникает вследствие деформации полей электронов проводимости в металле.
В присутствии магнита ситуация изменяется. Этот электронный ток Ie начинает взаимодействовать с эквивалентным током магнита Im по закону Био-Савара-Лапласа, смещая его к периферии диска (или к центру в зависимости от направления вращения диска и ориентации магнита). Для бесконечно малого элемента тока эта сила будет определяться стандартным выражением, которое расписывается через напряжённость магнитного поля [12, сс. 273, 348]
(2)
где q – отрицательный единичный заряд, d – расстояние между токами, n – концентрация электронов проводимости в металле в единице объёма, v – скорость выделенного элемента, dl –длина выделенного элемента диска, α – угол между направлением скорости электронов v и перпендикуляром между токами d. Важно, что угол α связывает не ток в общепринятом смысле, а скорость электронов, поскольку именно они и их движение определяют направление действия силы.
Из формулы мы видим, что, во-первых, она связывает два представления – потока магнитного поля и токовую концепцию, но не в исходном представлении силы Лоренца, а именно с позиции взаимодействия токов. Магнитное поле выступает здесь как лишний, искусственно введенный посредник в описании взаимодействия токов. Во-вторых, наличие угла α как раз и определяет выгодность спирали Тесла по ходу вращения диска. Действительно, спирали формируют поток электронов соответственно с углом α < 90 град. и α > 90 град. . Силы приблизительно одинаковы и направлены в одну сторону, но в первом случае проекция силы вдоль сектора способствует более быстрому смещению электронов к периферии, ускоряя их по движению вдоль сектора, а во втором случае препятствует, замедляя электроны. Естественно, что в первом случае эдс будет выше, чем во втором случае и выше, чем в случае перпендикулярного положения элементарного сектора диска. Во втором случае наоборот, что и зафиксировал Тесла. Так что здесь физика процесса заключается не в компенсации эквивалентного тока магнита, как считал Тесла. Постоянные токи неспособны существенно уменьшать друг друга, но только вследствие переориентации доменов. Главным здесь будет наклон тока электронов к эквивалентному току. И там должен иметь место оптимальный угол наклона спирали, при котором эдс при данной скорости вращения диска будет максимальной. При этом совсем не обязательно делать спираль по всей плоскости диска, учитывая следующий п. 3.
В-третьих, распределение эдс вдоль сектора будет неравномерно. Участки, удалённые от эквивалентных токов магнита, будут иметь и меньшее количество электронов проводимости qndV, и расстояние d между токами тоже будет больше. Это приведёт к зависимости распределения эдс, обратной четвёртой степени расстояния от края диска. Учитывая же, что и скорость электронов у центра диска ниже, вклад центральных областей диска будет пропорционален пятой степени расстояния d. Это делает цилиндрические униполярные двигатели значительно более эффективными, если сектора диска делать в виде спиралей. На здесь нужно учитывать радиальный характер силы, возникающей в схеме цилиндрического магнита, а значит, съём тока нужно производить с наружной и внутренней поверхностей цилиндра, а сам цилиндр делать возможно большей толщины.
В качестве следующей схемы рассмотрим случай, когда диск значительно больше магнита, как показано на рис. 8.
Рис. 8. Схема униполярного генератора, диск которого значительно больше диаметра магнита

Из схемы мы видим, что хотя токи в диске и однонаправлены, но силы F1 и F2 взаимодействия с эквивалентным током магнита направлены радиально встречно. Это и обуславливает эффект инверсии эдс: «если диск будет выступать далеко за пределы магнита, то в выступающей за край магнита части диска можно снять ток направления противоположного току который можно снять в части диска расположенной непосредственно над магнитом»[9]. При этом никаких особенностей магнита не существует, типа: «в электрической цепи проводник можно физически разорвать, не нарушая самой цепи (поставив диск и скользящие контакты), в тех местах, где сила Лоренца "разворачивается" в обратном направлении, "отпустив" разные участки электрической цепи двигаться (вращаться) каждый в свою, противоположную друг другу сторону, а разорвать "цепь" силовых линий магнитного поля или магнита, так чтобы разные участки магнитного поля "не мешали" друг другу - видимо невозможно (?). Никаких подобий "скользящих контактов" для магнитного поля или магнита кажется еще не придумали» [9]. Всё определяется взаимодействием токов. В этом главное различие парадигм магнитного поля и поля токов. Мы видели, что в определённых случаях одно пересчитывается в другое, но при оперировании уравнением для силы Лоренца, размывается, отходит на второй план физика процессов, усложняя, а порой эффективно маскируя сам процесс и возможности его математического моделирования. Действительно, можно с точки зрения концепции поля индукции объяснить инверсию эдс поворотом силовых линий поля. Но поле рассеяние считается только численными методами, очень приближённо и для простых конфигураций поля. А ведь далее нужно рассчитывать взаимодействие с током, что ещё усложняет процесс в разы. На этом пути возникают трудности с участком, прилежащим магниту, где поле должно быть горизонтальным.
С точки же зрения концепции поля токов – мало того, что все силы, все направления воздействия чётко видны и соответствуют физическим процессам, но весь расчёт сводится к определению конфигурации поля токов с учётом их квадратичного убывания вовне (и возрастания к центру диска). После чего достаточно определить взаимодействие и по нему, проинтегрировав, найти результирующую эдс униполярного генератора.
Вариантом рассмотренной схемы является генератор с удалённой от магнита внешней щёткой, вращающейся заодно с диском, как показано на рис. 9.
Рис. 9. Схема униполярного генератора с вынесенным периферийным контактом, вращающимся заодно с диском

Из схемы видно, что эдс, возбуждаемая в теле диска, компенсируется эдс, наводимой в отводе от диска. Результирующая эдс будет равна нулю или очень малой и потому трудно поддающейся регистрации.
Следующей рассмотрим схему тороидального магнита, внешний диаметр которого совпадает с диаметром диска, как показано на рис. 10.
Рис. 10. Схема индукции в униполярном генераторе с тороидальным магнитом

На схеме мы видим, что при однонаправленности токов в диске, взаимодействие с внешним эквивалентным током I m2 и внутренним эквивалентным током I m1 – различно. В границах стенки магнита сила направлена на периферию диска, а внутри полости магнита – к центру диска. Это свидетельствует о том, что результирующая эдс будет равна разности эдс, возбуждаемых во внутренней и внешней частях диска, и можно подобрать такое положение внутренней щётки, что суммарная эдс обратится в ноль. С другой стороны, если мы сдвинем внутреннюю щётку до внутреннего диаметра магнита, то получим удвоенную эдс, которая обеспечивается притяжением между токами I e2 и I m2 при отталкивании между токами I e2 и I m1.
Здесь следует отметить, что в случае униполярного двигателя картина процессов будет иной. Тут определяющее значение будет иметь притягивание и отталкивание внешнего тока, протекающего по диску, и эквивалентных токов магнита, параллельных ему. Однако и в этом случае с точки зрения концепции токовых полей всё сводится к некоторому однообразию взаимодействия между токами, продемонстрированному нами выше и в наших экспериментах по индукции.
Вариант движущегося магнита и неподвижного диска, в принципе, уже ясен. Отсутствие вращения диска, которое является, как было уже сказано, абсолютным, принципиально неспособно возбудить эдс из-за отсутствия тока электронов в диске, обусловленных этим вращением. Вращение же магнита практически не влияет на эдс, поскольку эквивалентные токи, возбуждаемые доменами магнита, образуются вследствие значительной ориентированной скорости электронов в атомах доменов. Именно поэтому они существуют без приложения разности потенциалов, как обычные токи в металлах. Придание скорости, обусловленной вращением магнита, даёт столь малую добавку, что фиксация влияния, связанного с этой добавкой, практически неощутимо. Хотя она есть и в теоретических расчётах может быть формально учтена.
Также предложенной концепцией снимается проблема заряженности вращающихся магнитов в эффекте Сёрла, которому он не мог дать объяснения. Наличие токов во вращающемся магните автоматически приводит к появлению на его поверхности зарядов, причём в зависимости от направления вращения это могут быть как положительный, так и отрицательный заряды.
Показанные физические обоснования делают ненужными и избыточные представления о магнитных зарядах qv, полученные путём тасовки уравнения силы Лоренца типа[13]
(3)
Чтобы понять искусственность данного преобразования, достаточно вспомнить, что ток – это не изменение заряда во времени. Это количество заряда, протекающего через сечение проводника в единицу времени. Причём, по сложившейся традиции, это не ток электронов, а ток положительных зарядов. Далее, dl – это не расстояние, которое прошли данные заряды за время dt. Это элемент проводника, на котором исследуются силовые воздействия, а сами заряды могут двигаться и с большей, и с меньшей скоростью, имея свою скорость диффундирования через проводник. Так что автор, упрекая других в искусственности их построений, сам, фактически, показал такое же построение в попытке привязать магнитное поле и силу Лоренца к эффекту униполярной индукции. Причём для разрешения парадокса отсутствия эдс в неподвижном диске при вращающемся магните, автор допустил, что ««Магнитные силовые линии» не движутся вместе с магнитом». Это не менее искусственно, так как простейший эксперимент со смещением магнита показывает, что вместе с ним смещается и направление воздействия его на проводник с током. Другое дело, что при вращении магнита без асимметрии, циркуляция эквивалентных токов круглого магнита остаётся неизменной, а добавка к току, обусловленная вращением магнита, бесконечно мала по сравнению со скоростью движения зарядов в молекулярных токах (порядка 106 м/сек). Этим и обусловлено отсутствие влияние вращения магнита, и ничем более. Это не требует введения особых магнитных зарядов, которые воздействуют на другие заряды опять-таки, через магнитное поле, перпендикулярное направлению воздействия: ««магнитный заряд» qV является векторной величиной. Это значит, что координата Z, совпадающая с направлением вектора V, является вырожденной. Таким образом, магнитное поле осуществляет воздействие как бы в двумерной системе координат. При этом двумерные «плоскости взаимодействия» (векторная составляющая B является нормалью n к этой плоскости), в которых лежит вектор F, образуют в трехмерном пространстве некую трехмерную структуру...
Магнитный заряд q1V1 создает магнитное поле с напряженностью B1 в месте нахождения заряда q2 ... При этом на «плоскости взаимодействия» образуется система изолиний с B = const, которые представляют собой замкнутые кривые, напоминающие эллипс и касающиеся вектора скорости заряда V. В пространстве поверхность В = const представляет собой тороид» [13].
Фактически это тот же приём описания закона Лоренца, но обёрнутый в некоторую новую обёртку «магнитного заряда» с искажением исходного смысла, заложенного в это понятие Кулоном, предполагавшим возможность разделения северного и южного полюса. Парадоксы же электромагнетизма все остаются на своих местах и требуют неадекватных допущений типа отсутствия движения силовых линий магнита вместе с магнитом.
В противовес этому, трактовка с помощью поля токов значительно упрощает само исследование и, как мы показали выше, снимает все парадоксальные ситуации в электромагнетизме, при этом сочетаясь математически с известными формулами, включая формулу для силы Лоренца, но через поля токов с учётом геометрии токов и без необходимости введения каких-либо дополнительных сущностей типа магнитного поля.

Литература
1. Каравашкин С.Б., Каравашкина О.Н. Пути токов в диске Фарадея
2. Н. Тесла. ЗАМЕТКИ ПО ПОВОДУ УНИПОЛЯРНОЙ ДИНАМО-МАШИНЫ
3. Бамдас А. М., Савиновский Ю. А. «Дроссели переменного тока радиоэлектронной аппаратуры (катушки со сталью)». – М., «Советское радио», 1969, 248 с.
4. В. Уткин. Теоретические основы теслатехники
5. Униполярный генератор Фарадея, форум skif.biz
6. Г. Ивченков. Индукционные и силовые эффекты, вызванные движением носителя магнитного поля. Тангенциальная индукция и законы электромагнетизма
7. Э. Парселл. Курс физики, т. II, Электричество и магнетизм, М., «Наука», 1971.
8. Н. Тесла. Новая система трансформаторов и моторов переменного тока
9. Диск Фарадея, униполярная машина, парадокс Фарадея
10. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина Роль маскирующих эффектов в эксперименте
11. Н. Тесла. Заметки об униполярном динамо
12. Е.А. Штрауф. Курс физики, т. II, Электричество и магнетизм, Л., «Судпромгиз», 1963.
13. Г. Ивченков. Физическая природа магнитного поля.

По материалам статьи Проблемы униполярной индукции

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2020, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU