УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 2018 года по МПК G09B23/18 

Изобретение относится к физике электромагнетизма и электродинамике и может быть использовано при исследовании закономерности возникновения вихревого электрического поля относительно траектории движения постоянного магнита, а также в измерительной технике и приборостроении в качестве датчика, э.д.с. выходного отклика которого пропорциональна произведению тока во входном соленоиде, магнитно связанном с ферромагнитным тороидом, на угловую скорость вращения этого ферромагнитного тороида, намагничиваемого указанным током и магнитно связанного с выходным соленоидом.

Известное явление электромагнитной индукции [1-3] широко используется в электротехнике. На его основе работают, в частности, трансформаторы переменного тока, в которых изменяется с частотой f переменного тока магнитная индукция по гармоническому закону B(t) = В_О sin (2π f t) в функции времени. В классической электродинамике оперируют четырьмя уравнениями Максвелла [4-6], второе из которых имеет вид:

где вектор rot Е - суть соответствующее вихревое электрическое поле, располагаемое в плоскостях, ортогональных вектору магнитной индукции B(t), а сам электрический вихрь коллинеарен виткам соленоида (катушки индуктивности), пронизываемой вектором магнитной индукции, и его направление вращения происходит по известному «правилу буравчика», возбуждая в проводнике соленоида электрический ток действием лоренцевых сил на свободные электроны проводника.

В частности, уравнение (1) говорит о том, что ротор (интеграл по замкнутому контуру) электрического поля Е равен потоку индукции, то есть скорости изменения во времени магнитного поля В = B(t), проходящего сквозь этот контур.

Так же как движение электрического заряда образует вокруг траектории его движения вихревое магнитное поле, как это следует из четвертого уравнения Максвелла, движение магнитного поля с постоянной во времени индукцией В_О = const (t), например движение постоянного магнита, вызывает возникновение вихревого электрического поля вокруг траектории движения магнитного поля, что требует введения дополнительного члена во второе уравнение Максвелла в форме:

Поскольку магнитная индукция В_О в этом случае не изменяется во времени, то имеем однако индукция В_О движется в координатном пространстве (вместе с движением постоянного магнита) с постоянной скоростью V, и тогда уравнение (2) в соответствие с положениями векторной алгебры принимает вид:

Выражение (3) справедливо, поскольку при постоянной скорости магнитного поля со скалярной индукцией В_О при произвольном движении постоянного магнита вдоль некоторой прямой (или кривой) в пространстве декартовой системы координат (х, у, z), что нашло свое подтверждение в эксперименте [7-9], проведенном заявителем.

Заявляемое техническое решение аналогов не имеет.

Целью изобретения является обеспечение возможности инструментальной проверки закономерности возникновения вихревого электрического поля при вращении намагниченного по кругу ферромагнитного тороида.

Прототипом заявляемому устройству является устройство по патенту №2561143, значительно более сложное по сравнению с предлагаемым.

Целью изобретения является существенное упрощение конструкции.

Указанная цель достигается в устройстве для исследования вихревого электрического поля, содержащем синхронный двигатель, питаемый от перестраиваемого по частоте многофазного генератора, измерительную катушку, размещенную бесконтактно относительно вращающегося ферромагнитного тороида и подключенную через усилитель постоянного тока к измерителю постоянного напряжения, отличающемся тем, что ферромагнитный тороид выполнен намагниченным по кругу и закреплен на оси синхронного двигателя, причем рабочие части витков измерительной катушки расположены в плоскостях, коллинеарных с осью вращения намагниченного по кругу ферромагнитного тороида.

Достижение указанной цели объясняется возбуждением в витках измерительной катушки постоянной э.д.с. разных знаков в их полувитках, но с разными величинами, под действием вихревого электрического поля, распределенного симметрично вокруг вращающегося намагниченного по кругу ферромагнитного тороида, например неодимового кольца, коллинеарного плоскостям каждого из витков измерительной катушки. Возникающая э.д.с. в полувитках измерительной катушки, более близких к этому тороиду, оказывается большей по величине, чем э.д.с, возникающая в более дальних от тороида полувитках измерительной катушки. Поэтому в целом в измерительной катушке суммируются разностные э.д.с. ее полувитков, что позволяет производить исследования вихревого электрического поля. Различие в величинах э.д.с. в паре полувитков объясняется убыванием напряженности вихревого электрического поля пропорционально квадрату расстояния до соответствующих точек обмотки измерительной катушки. Э.д.с. в элементах обмотки измерительной катушки объясняется действием вихревого электрического поля на свободные электроны проводника. При этом следует иметь в виду, что намагниченный по кругу ферромагнитный тороид, как известно, состоит из магнитных доменов, каждый из которых является движущимся по соответствующей окружности, осесимметричной к оси вращения, прямым постоянным микромагнитом, вокруг траектории движения которого образуется вихревое электрическое микрополе, суммируемое с остальными микрополями. Такое суммирование вихревых микрополей каждого из магнитных доменов объясняется отсутствием экранирующего эффекта в ферромагнетике тороида, поскольку неметалллический ферромагнетик, например, на основе ферритов для электрического поля не является экраном и воспринимается им как диэлектрик.

Вариант построения заявляемого устройства показан на рис. 1 с использованием измерительной катушки прямоугольного сечения, показанной на рис. 2.

Устройство содержит (рис. 1) следующие элементы и узлы:

1 - намагниченный по кругу ферромагнитный тороид, например неодимовый,

2 - синхронный двигатель переменного тока с осью вращения, связанной с тороидом 1,

3 - многофазный генератор (например, трехфазный) переменного тока с регулируемой частотой генерируемых колебаний,

4 - типовой вид вихревого электрического поля (пунктирная окружность радиуса s),

5 - многовитковая измерительная катушка, витки которой расположены в плоскостях, коллинеарных оси вращения синхронного двигателя 2,

6 - усилитель постоянного тока с малым дрейфом,

7 - измеритель постоянного напряжения (вольтметр).

Фигурными стрелками указаны соответствующие направления вращения ферромагнитного тороида 1 и направление векторов вихревого электрического поля. Пунктирными стрелками различной толщины показаны напряженности вихревого электрического поля в разных по удаленности от ферромагнитного тороида 1 точках пространства: более толстой для расстояния S₁ и тонкой для расстояния S₂. Внутренний и внешний радиусы тороида 1 обозначены соответственно как R₁ и R₂, а его толщина - как b. Угловая скорость вращения тороида 1 равна ω=2 π f, где f - частота колебаний многофазного генератора переменного тока 3, например трехфазного.

На рис. 2 показан вид фрагмента измерительной катушки 5 прямоугольного сечения ее витков. Ближние к тороиду 1 части витков (на расстоянии S₁) находятся в вихревом электрическом поле с напряженностью E₁(S₁), а дальние (на расстоянии S₂) - в поле с напряженостью E₂(S₂). При этом в частях витков такой прямоугольной катушки, расположенных ортогонально оси вращения, э.д.с. не возбуждается по аналогии с законом об электромагнитной индукции М. Фарадея (правило «левой руки»). Направление тока в измерительной катушке, подключенной к нагрузке - усилителю постоянного тока 6, показано сплошными стрелками.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Пусть намагниченный ферромагнитный тороид 1 вращается от синхронного двигателя 2 с угловой скоростью ω. Тогда различные точки сечения тороида площадью b(R₂-R₁) с радиусами R в диапазоне R₂≥R≥R₁ движутся с линейными скоростями V=ω R, средняя скорость которых равна V_CP=ω(R₁+R₂)/2. При этом согласно уравнения (3) имеем rot Е=V_CP grad В_О, где В_О - скалярная величина магнитной индукции, вектор которой совпадает с направлением скорости V_CP (постоянная во времени), создаваемой внутри вращающегося намагниченного ферромагнитного тороида совокупностью магнитных доменов в каждом из поперечных сечений ферромагнитного тороида. Так как магнитная индукция, создаваемая прямым постоянным магнитом (аналогом магнитного домена), убывает пропорционально квадрату расстояния от его центра между полюсами домена, то правомерно предположить, что напряженность Е вихревого электрического поля также убывает пропорционально квадрату расстояния от центра его симметрии, как это видно на рис. 1. Тогда в измерительной катушке 5 с числом ее витков n будет возникать э.д.с. Е, равная:

где k - некоторый размерный [м] и экспериментально получаемый множитель.

Ясно, что измеряемая величина э.д.с. Е является линейной функцией от произведения угловой скорости ω вращения намагниченного ферромагнитного тороида на его магнитную индукцию В_О, а знак этой э.д.с. определяется направлением вращения тороида 1.

Модификацией заявляемого устройства может быть иное использование измерительной катушки 5 в виде неподвижного тороида, например, того же диаметра, как у ферромагнитного намагниченного тороида 1, располагаемого осесимметрично над вращающимся ферромагнитным тороидом 1. Это позволяет увеличить эффективность действия прибора (его чувствительность). Сердечником такого измерительного тороида может быть диэлектрический материал. Можно также применить экранирование в средней части такого измерительного тороида для гашения э.д.с. в тех частях витков тороидальной измерительной катушки, которые расположены в дальней зоне от ферромагнитного намагниченного тороида.

Изобретение представляет интерес для теоретической электродинамики важным дополнением второго уравнения Максвелла и может быть использовано при построении различного рода датчиков, применяемых в измерительной технике.

Литература

1. M. Faraday. Experimental Researches in Electricity, London, 1841.

2. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред», 2 изд., М., 1982.

3. Дж. Джексон. Классическая электродинамика, пер. с англ., М., 1965.

4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория поля, 7 изд., М., 1988.

5. В.И. Фущич, А.Г. Никитин. Симметрия уравнений Максвелла, К., 1983.

6. М.М. Бредов, В.В. Румянцев, И.Н. Топтыгин. Классическая электродинамика, М., 1985.

7. О.Ф. Меньших. Способ возбуждения униполярной индукции, Internet, сайт tele-conf.ru, XIII Международная телеконференция "Актуальные проблемы современной науки", секция физики, опубл. 13.02.2014.

8. О.Ф. Меньших. Генератор постоянного тока, патент РФ №2556642, опубл. в бюлл. №19 от 10.07.2015.

9. О.Ф. Меньших. Мостовая схема проверки вращательного магнитодинамического эффекта, патент РФ №2562390, опубл. в бюлл. №25 от 10.09.2015.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при исследовании закономерности возникновения вихревого электрического поля относительно траектории движения постоянного магнита, а также в измерительной технике и приборостроении в качестве датчика. Технический результат состоит в упрощении конструкции. Устройство для исследования вихревого электрического поля состоит из вращающегося от синхронного электродвигателя, подключенного к регулируемому по частоте многофазному генератору переменного тока, ферромагнитного тороида, намагниченного по кругу, и многовитковой измерительной катушки, установленной бесконтактно вблизи указанного вращающегося тороида и подключенной к измерителю постоянного напряжения через усилитель постоянного тока. Витки измерительной катушки расположены в плоскостях, коллинеарных относительно оси вращения намагниченного по кругу ферромагнитного тороида. 2 ил.

Устройство для исследования вихревого электрического поля, содержащее синхронный двигатель, питаемый от перестраиваемого по частоте многофазного генератора, измерительную катушку, размещенную бесконтактно относительно вращающегося ферромагнитного тороида и подключенную через усилитель постоянного тока к измерителю постоянного напряжения, отличающееся тем, что ферромагнитный тороид выполнен намагниченным по кругу и закреплен на оси синхронного двигателя, причем рабочие части витков измерительной катушки расположены в плоскостях, коллинеарных с осью вращения намагниченного по кругу ферромагнитного тороида.