Сокіл-Кутиловскій О.Л.
Доктор технічних наук, Інститут геофізики Уральського відділення Російської Академії наук
ГЕНЕРАЦІЯ магнітного поля в обертових металевих провідників
анотація
Показано, що обертається в зовнішньому магнітному полі металевий немагнітний провідник (у формі полого циліндра) генерує вторинне Мультипольне магнітне поле, величина якого пропорційна швидкості обертання і величиною первинного магнітного поля, а також залежить від питомої електричного опору обертового провідника, його форми і розмірів.
Ключові слова: магнітне поле, сила Лоренца, генерація мультипольного магнітного поля.
Sokol-Kutylovskii OL
PhD in Engineering, Institute of Geophysics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
GENERATION OF MAGNETIC FIELD IN THE ROTATING METALLIC CONDUCTOR
Abstract
It is shown that the non-magnetic metallic conductor (in the form of a hollow cylinder) which rotatates in external magnetic field generates a secondary multipole magnetic field which is proportional to the rotation speed and magnitude of the primary magnetic field , and also depends on the electrical resistivity of the rotating conductor of its shape and size .
Keywords: magnetic field, Lorentz force, the generation of the multipole magnetic field.
Відомо, що постійне магнітне поле виникає навколо рівномірно рухомих електрично заряджених частинок, наприклад, навколо провідника з електричним струмом, а також створюється ферро- і феримагнетика, в яких макроскопічний магнітний момент обумовлений внутріатомними струмами. А чи може виникнути постійне магнітне поле в немагнітному металевому провіднику, через який не пропускають електричний струм? Простий експеримент з обертанням полого металевого немагнітного циліндра в зовнішньому магнітному полі показує, що в ньому може виникнути вторинне магнітне поле [1]. При швидкості обертання алюмінієвого полого циліндра 60 радіан в секунду в постійному магнітному полі ~ 1.6 · 10-4 Тл створюється вторинне магнітне поле, ортогональное зовнішнього магнітного поля (Рис. 1). Вторинне поле за величиною досягає ~ 10-4 Тл в центральній частині циліндра на відстані 5 ÷ 10 мм від його поверхні. Обертається алюмінієвий циліндр мав зовнішній діаметр 200 мм, довжину 200 мм і товщину стінок 20 мм.
За ефект генерації вторинного магнітного поля відповідальна сила Лоренца, що діє на електрони обертового провідника. Вона викликає в провіднику замкнуті циркулюють електронні струми, що генерують вторинне магнітне поле. У перетині циліндра генерується вторинне магнітне поле є мультипольного, а вторинне магнітне поле всього провідника в цілому - дипольне. Мультипольного структура генерується магнітного поля, що спостерігається в поперечному перерізі провідника, обумовлена його геометричною формою, що визначає шляхи перебігу електричних струмів, створюваних рухом електронів під дією сили Лоренца, і розподілом електричних потенціалів всередині провідника. У зв'язку з такою структурою, що генерується магнітне поле зменшується з відстанню від провідника значно швидше, ніж поле класичного магнітного диполя.
У загальному випадку величину максимальної магнітної індукції і напрямок максимального магнітного моменту, що генерується при обертанні металевого немагнітного провідника в зовнішньому магнітному полі, можна оцінити за формулою:
(1)
де B m - максимальна магнітна індукція, що генерується обертовим провідником, km (σ, d) - коефіцієнт, що залежить від провідності, форми і розмірів провідника; B 0 - зовнішнє постійне магнітне поле і ω - вектор кутової швидкості обертання провідника. Коефіцієнт km (σ, d) пропорційний провідності, товщині і радіусу обертання провідника.
Мал. 1. Перетин обертового полого алюмінієвого циліндра 1, закріпленого на осі 2 через неметаллическую опору 3. B 0 - зовнішнє постійне магнітне поле, ω - вектор кутової швидкості обертання, B m - генерується сумарне магнітне поле. Стрілками показано напрямок магнітної індукції, що генерується локальними струмовими диполями провідника. Дрібними кружками з точками і з хрестами показано напрямок руху електронів при обертанні провідника.
Величина генерується магнітної індукції, природно, залежить від відстані між обертовим провідником і точкою виміру вторинної магнітної індукції. Розрізаний уздовж поздовжньої осі порожнистий металевий циліндр зберігає при обертанні в зовнішньому магнітному полі здатність до генерації вторинного магнітного поля.
Суцільний металевий циліндричний провідник при обертанні в зовнішньому магнітному полі також генерує вторинне магнітне поле, але дещо меншою величини, ніж порожній циліндр. Порожній провідний циліндр зі стінками, навитими з алюмінієвої фольги, генерує вторинне магнітне поле, величина якого прямо пропорційна числу шарів фольги, тобто товщині провідника.
Таким чином, практично будь-який обертається в зовнішньому магнітному полі металевий немагнітний провідник генерує вторинне магнітне поле, прямо пропорційне зовнішньому постійному магнітному полю і кутової швидкості обертання. При цьому сам обертається в магнітному полі (в тому числі в магнітному полі Землі) провідник подібний уніполярної електричної машині з короткозамкненим ротором [2].
Те, що ефект створюється саме зовнішніми, валентними електронами провідника випливає з сильного впливу електронної провідності матеріалу циліндра, що обертається на величину ефекту. Циліндр з більш провідного металу створює більшу за величиною вторинне магнітне поле, ніж циліндр з менш провідного металу або металевого сплаву при інших рівних умовах (зовнішнє магнітне поле, частота обертання, розміри). За сучасними уявленнями, електрична провідність пропорційна середній довжині вільного пробігу електронів, яка в металах і металевих сплавах перевищує міжатомні відстані в тисячі разів. При цьому вважається, що на довжині вільного пробігу електрони поводяться, подібно вільним часткам: вони мають інерцією, тобто прагнуть зберегти наявне в даний момент стан руху. На це прямо вказують досліди Стюарта і Толмена з гальмуванням обертових котушок [3], а також інерційні властивості вільних електронів, які проявляються в електричному струмі самоіндукції [4]. На електрони можуть впливати електромагнітні і гравітаційні сили. Приклад дії гравітаційних сил - це робота униполярного індуктора, здійснювана відцентровою силою, що діє на зовнішні електрони обертового металевого провідника [3]. Ефект генерації вторинного магнітного поля в провіднику, що обертається в магнітному полі, - це приклад дії сили Лоренца на зовнішні електрони провідника, які починають переміщатися від одного атома до іншого. Відстань, яку проходить електронами в безперервному русі між атомами провідника відповідає довжині вільного пробігу, як якщо б ці електрони були вільними. Велика довжина вільного пробігу електронів в провідниках -ефект, який спостерігається в металах і металевих сплавах, коли їх питомий електричний опір не перевищує ~ 2 × 10-6 Ом × м [4]. При більшому питомій електричному опорі провідника «довжина вільного пробігу» електронів дорівнює відстані між сусідніми атомами, і в такому випадку зникає явище самоіндукції, припиняється робота униполярного генератора і генерація внутрішнього магнітного поля, що обертається провідником.
Якщо зовнішнього магнітного поля немає, то і в цьому випадку обертається немагнітний провідник може генерувати власне магнітне поле. У цьому випадку на вільні електрони провідника повинна діяти інша, наприклад, відцентрова сила, як в уніполярному індукторі. Для цього необхідно з'єднати центральний і периферійний ділянки швидко обертового провідника через струмознімальних кільця. Інші сили інерції також здатні привести електрони провідника в спрямований рух і створити навколо нього магнітне поле. При гальмуванні обертових провідників - це сила інерції обертального руху (досліди Стюарта і Толмена), а при прямолінійній гальмуванні - сила Ньютона.
Вторинне магнітне поле буде практично відсутнім в тонкому металевому диску, вісь якого збігається з віссю обертання, а вектор зовнішнього магнітного поля паралельний площині цього диска. При рівномірному обертанні такого набірного диска з ізольованими елементами зі швидкістю до 200 оборотів в секунду величина вторинної магнітної індукції практично була відсутня (з похибкою ~ 10-6 від магнітної індукції зовнішнього поля) при ортогональному розташуванні осі обертання по відношенню до вектора зовнішнього магнітного поля. Це показує, що ніяких інших механізмів збудження вторинного магнітного поля, крім як описаних вище, немає. В цьому експерименті дію сили Лоренца виключалася конструкцією обертового провідника. Вторинне магнітне поле також не виникає в розімкнутому (мідному) соленоїді при його обертанні вздовж поздовжньої осі.
Видимий в цій простій динамічній системі складна структура магнітного поля може бути тією ланкою, яка допоможе зрозуміти причину виникнення макроскопічного магнітного моменту в магнетиках.
література
- Сокіл-Кутиловскій О.Л. Ефект генерації мультипольного магнітного поля. // Практика приладобудування 2003 № 3, С. 85-88.
- Тамм І.Є. Основи теорії електрики. 9 видавництво., М .: Наука, 1976. 504 с.
- Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс загальної фізики. М .: Наука, 1969, т. 2. 366 с.
- Сокіл-Кутиловскій О.Л. Про електродинаміки провідних середовищ. // Практика приладобудування. 2003. № 2, С. 85-90.
References
- Sokol-Kutylovskij OL Jeffekt generacii mul'tipol'nogo magnitnogo polja. // Praktika priborostroenija 2003 № 3, S. 85-88.
- Tamm IE Osnovy teorii jelektrichestva. 9 izd., M .: Nauka, 1976. 504 s.
- Zisman GA, Todes OM Kurs obshhej fiziki. M .: Nauka, 1969, t. 2. 366 s.
- Sokol-Kutylovskij OL Ob jelektrodinamike provodjashhih sred. // Praktika priborostroenija. 2003. № 2, S. 85-90.