Знаменитые опыты Фарадея - вращение магнита относительно катушки с проводом и вращение катушки с проводом в магнитном поле - в учебниках описаны подробно. Но есть и ряд важных физических особенностей электромагнитного преобразования энергии, на которые мало кто обращает внимание.
Рассмотрим пример. Магнит движется линейно (или вращается) относительно катушки из провода. Изменяющееся магнитное поле создаёт индуцированное вихревое электрическое поле, наводящее ЭДС индукции в витках (ЭДСi). Подчеркнём, что вихревое электрическое поле сопровождает любой движущийся магнит. В катушке без ферромагнитного сердечника вся ЭДС в витках создаётся изменяющимся нолем магнита (и только им). А если эту катушку замкнуть на нагрузку? По ней пойдёт ток. Магнитное поле тока будет тормозить магнит. Это, можно сказать, классическое электромеханическое преобразование энергии. Важно отметить, что в данном опыте ВСЁ магнитное поле, индуцирующее ЭДС в витках катушки, идёт только от магнита (без учёта самоиндукции).
В другом опыте магнит движется уже относительно катушки с ферромагнитным сердечником. При этом магнит намагничивает сердечник при приближении, а при удалении магнита ферромагнитный (а также из любого куска железа, стали, феррита) сердечник размагничивается. Поскольку магнитная проницаемость ферромагнетика во много раз больше воздуха, то большую часть ЭДС в витках катушки уже наводит не само поле магнита, а поле ферромагнитного сердечника. Роль магнита сводится к созданию ноля.
Но только ли с магнитом связано поле ферромагнитного сердечника? Отнюдь! Значительная часть магнитного поля замкнута вокруг сердечника по воздуху, вообще минуя магнит! Получается, что переменное магнитное поле железного сердечника индуцирует вихревое электрическое поле. А магнитное и электрическое поля совместно образуют поток энергии, характеризуемый так называемым вектором Пойнтинга (S=ExH), этот поток энергии уже никак не связан с первоисточником магнитного поля - постоянным магнитом. Вообще вокруг любого куска железа, когда мимо проносят магнит, «волшебным» образом возникает своё электромагнитное поле, и поток энергии, уже не связанный с первоисточником намагничивающего поля! Также важно, что в самом постоянном магните никакая ЭДС пе действует, что невозможно в катушке из провода с током. Магнитные моменты электронов, спины электрона в постоянном магните это своего рода квантовые (назовем их так) токи, которые не реагируют ни па какие вихревые электрические поля. Спин электрона умозрительно можно уподобить эдакому вечно вращающемуся с одной и той же постоянной скоростью заряженному шарику, который невозможно ни остановить, ни замедлить его вращение... Чем не «квантовый», своего рода, двигатель, совершающий в магните работу по намагничиванию куска железа вообще без каких-либо затрат па преодоление ЭДС?. В катушке из провода с током, если её поднести к железу, такой фокус бы уже не «прокатил»...
На эти фантастические проявления магнетизма почему-то мало обращала внимания традиционная электродинамика. Ведь по канонам закона сохранения энергии абсолютно ВСЯ энергия электромагнитного поля движется от источника к приёмнику, излучается в пространство или рассеивается в виде потерь в среде. А уже в этих простеньких опытах с магнитом и любым куском железа неким чудесным образом возникают потоки энергии, идущие в сердечник и из него, и как бы фактически из «ниоткуда»... Если точнее, то дополнительный поток энергии идёт, входит и выходит как бы от самой поверхности ферромагнетика, куска железа.
Из курса физики, напомним, известно, что переменное магнитное поле магнита И (В) и вихревое электрическое поле Е вместе образуют векторПойитингаS=EH=EB, где H - напряжённость магнитного поля, а В - индукция. Важно отметить, что магнитное ноле токов Н и магнитное поле собственно ферромагнетика - индукция Bi, несмотря па кажущееся внешнее сходство, в корне отличаются по природе своего носителя, свойствам и структуре. В принципе поле ферромагнетика надо правильнее называть не просто магнитным, а ФЕРРОМАГНИТНЫМ полем. В физике традиционно этого важного различия для «простоты» не делают, хотя во многих случаях оно принципиально важно и необходимо для разделения и понимания физических процессов. Ферромагнитное ноле, как и обычное магнитное поле Н, при изменении В образует вихревое электрическое поле и вектор Пойнтинга. А вектор Пойнтинга через какую-либо поверхность образует поток энергии. В данном случае поток энергии от магнита в катушку. Важно отметить, что потоки энергии, связанные с вектором Пойнтинга, это не некая чисто теоретическая модель процессов и математическая условность, а вполне реальные существующие в пространстве потоки энергии. Именно эти потоки и переносят энергию. Теорема Пойнтинга, например, очень хорошо описывает такие энергетические потоки при передаче электроэнергии ВДОЛЬ проводов, в электромагнитных волнах, всех прочих электромагнитных системах, а также и энергетические потоки внутри всех устройств в электротехнике: генераторах, трансформаторах, электромоторах и прочем. С точки зрения потоков энергии есть вектор Пойнтинга и связанный с ним поток энергии, идущий от магнитов в катушку с нагрузкой. С ортодоксальной точки зрения понимания электромагнетизма - чудес пока никаких.
Теперь вставим в катушку ферромагнитный сердечник (ферритовый, стальной и пр.). В этом случае большую часть ЭДСi в обмотке создаёт уже не само поле магнита, а магнитное поле Bi ферромагнитного сердечника. При этом магнитное поле ферромагнитного сердечника большей частью замкнуто по воздуху вокруг сердечника и лишь частично замкнуто через магнит (и взаимодействует с ним). То есть большая часть этого поля «железа» сердечника вообще замкнуто вокруг сердечника, минуя магнит. Но при этом важно понять, что ВСЁ магнитное поле ферромагнитного сердечника создаёт ЭДС в витках катушки. С точки зрения потоков энергии вокруг ферромагнитного сердечника возникает свой вектор Пойтинга и поток энергии, лишь частично связанный с магнитом. При этом большая часть потока энергии в катушку идёт не от поля магнита, а от ферромагнитного поля сердечника в катушке. Это кажется невероятным с точки зрения классической электродинамики. Получается, что поток энергии в катушку идёт не только и не столько от первоисточника - магнита, а как бы «втекает» из магнитного ноля сердечника из окружающего пространства?! Теперь удалим магнит от ферромагнитного сердечника с катушкой - сердечник размагнитится. При этом в электроэнергию преобразуется ВСЁ ферромагнитное поле «железа» ферромагнитного сердечника, а тормозить магнит будет лишь ЧАСТЬ этого поля. Получается, что значительная, большая часть индуцированной в катушке электроэнергии вообще пе связана с электромеханическим преобразованием энергии? Магнит лишь инициирует изменения магнитного поля в ферромагнитном сердечнике. А значительную часть полезной электроэнергии индуцирует в обмотке уже ферромагнитное поле сердечника, которое замкнуто большей частью вне магнита. Генерация электроэнергии в катушке в значительной мере как бы вообще оторвана от магнита (ротора-индуктора, индуктора) пространственно.
В данной системе протекают одновременно два процесса - обычное электромеханическое преобразование энергии и генерация электроэнергии, пе связанная с магнитом. Магнит (или электромагнит) лишь индуктор изменений магнитного поля в железном (ферромагнитном) сердечнике. А большую часть ЭДС и электроэнергии индуцирует уже поле сердечника. Это важнейшее отличие от примера с магнитом и катушкой без сердечника. По топологии магнитных полей системы «магнит плюс катушка без сердечника» и «магнит плюс катушка с сердечником» имеют, как можно хорошо увидеть из рисунке, принципиальное отличие. Ферромагнитный сердечник в катушке создаёт СВОЁ магнитное ноле в витках катушки, помимо поля магнита, и свой поток энергии в катушке. И этот дополнительный поток энергии уже никак топологически пе связан с первоисточником изменения поля магнитом, а связан только с окружающим пространством... Даже такой простой опыт с магнитом и катушкой с ферромагнитным сердечником, как выясняется, пе так прост, как может показаться па первый взгляд.
В обычном синхронном генераторе ротор-индуктор фактически, как втулка в цилиндр, вложен в статор-якорь. В этом случае ВСЕ магнитные поля магнита-ротора и статорного сердечника практически не разделены и образуют общее магнитное поле. Небольшие поля рассеивания зубцов и пазов пе превышают нескольких процентов. В такой электрической машине практически всё ферромагнитное поле «железа» статора связано с ротором. Поэтому в обычных генераторах даже на холостом ходу в принципе почти нет вектора Пойнтинга и потока энергии, не связанного с ротором-индуктором. И поэтому в таких электрических машинах происходит обычное, классическое электромеханическое преобразование энергии без каких-либо чудес. Но это следствие принципиальной топологии, классической конфигурации электрической машины. В так называемой открытой магнитной системе, где магнитные поля магнита и ферромагнитного сердечника уже связаны лишь частично, картина потоков энергии уже совсем иная. Для этого просто надо разделить пространственно частично магнитные поля индуктора (магнита) и ферромагнитного сердечника (статор-якорь).
Пример из области электромеханики абсолютно эквивалентен статической системе как по топологии ферромагнитных полей, так и по топологии вектора Пойнтинга и всех потоков энергии. В статическом случае индуктор неподвижен. Затраты энергии на намагничивание ограничены только тем полем (ферромагнитным), что индуктивно связано с индукторной обмоткой и участвует в магнитном взаимодействии сердечников через зазоры. Простейшее устройство состоит из двух, а лучше трёх сердечников, разделённых зазорами. Зазор относительно большой - несколько миллиметров, и нужен для частичного разделения ферромагнитных нолей боковых сердечников и индуктора. В обмотку индуктора подаётся ток, и через зазоры его сердечник намагничивается и намагничивает боковые сердечники. Вокруг них также возникают собственные магнитные поля. На образование и энергию этих вторичных ферромагнитных полей источник, питающий индуктор, электроэнергию уже не тратит. Вторичные ферромагнитные поля вообще не участвуют в магнитном взаимодействии с индукторным сердечником. При размагничивании индуктора энергия магнитного поля с боковых сердечников снимается при помощи специальных обмоток па них. Эти обмотки пе участвуют в намагничивании. При намагничивании ток в них блокирован диодами. Вообще это устройство по режиму работ - так называемый обратноходовой преобразователь (дроссель накопления магнитной энергии), по с более сложной топологией магнитных полей. Энергия снимается с системы сердечников, разделённых зазорами. Само количество сердечников может быть любым. Опыт показывает, что при определённом соотношении зазоров и индукции (и кривой намагничивания) количество сердечников вообще не ограничено! В этом случае один-два индуктора могут намагнитить десятки, сотни сердечников - и вплоть до бесконечности!!!
Особенно сильно этот эффект будет проявляться на уровне доменов, акустических доменов и нано и микрочастиц ферромагнетиков, разделённых диэлектриком (немагнитным). С точки зрения физики ферромагнетик не обладает индуктивным сопротивлением, - «квантовым токам» электронов в магните и в железном сердечнике не нужно преодолевать наведённые ЭДС, в отличие от токов электронных в проводах катушки. Потому что магнитное поле ферромагнетиков образуется не обычным движением электронов и прочих зарядов, а связано с особой квантовой природой спина - магнитного момента электрона. Описание этих явлений - сложный материал для отдельной статьи по квантовой физике.
По той же причине - отсутствия действия ЭДС па токи в магните - и постоянному магниту не нужно тратить энергию на намагничивание куска железа, к которому поднесли магнит. Мы воспринимаем это как само собой разумеющееся, но в случае катушки из провода с током этот «фокус» бы уже не прокатил... В катушке возникла бы ЭДС от магнитного поля железа, и на ее преодоление пришлось бы потратить электроэнергию от батарейки или аккумулятора для поддержания тока. А магнит делает это без затрат на преодоление ЭДС. Квантовые токи - магнитные моменты (спины) электронов не реагируют на ЭДС вообще, будь-то даже миллионы вольт вихревого электрического поля. «Вращение» электрона (то бишь квазивращение - квантовое движение) невозможно ни ускорить, ни остановить, ни даже ничтожно замедлить... Можно ли напрямую подключиться к этому в своём роде квантовому «вечному двигателю»? Нет, но можно использовать для получения фактически дармовой магнитной энергии ферромагнетиков. Самый простой пример для понимания - работа обычной ферритовой антенны. Слабое магнитное поле радиоволны усиливается в ней в согни раз. Фактически поток энергии (вектор Пойнтинга) вокруг ферритовой антенны в тысячи, даже десятки тысяч раз превышает поток энергии (вектор Пойнтинга) в радиоволне. «Фонтан» потока энергии вокруг ферритовой антенны уже не связан с передающей антенной и не идёт от антенны.
При этом ток смещения в радиоволне не совершает работы на намагничивание ферритовой антенны. Фактически энергия электромагнитной волны просто усиливается в
ферритовой антенне (или из магнитодиэлектрика). Возрастает и магнитное поле за счёт поля ферромагнетика и индуцированное им вихревое электрическое поле. Вокруг ферритовой антенны вектор Пойнтинга и поток энергии, связанный с полем ферромагнетика, может в сотни и многие тысячи раз превосходить поток энергии в падающей радиоволне.
Этот дополнительный поток энергии идёт не от передающей антенны, а циркулирует только вокруг ферритовой антенны. (Как и при связи на ферритовую антенну наматывается обмотка с нагрузкой, желательно настроенная в резонанс с рабочей частотой.) Такая картина энергетических потоков в корне противоречит классической трактовке движения потоков энергии от первоисточника и - страшно сказать! пресловутому закону сохранения.
пример с ферритовой антенной имеет ту же физическую природу, что и с магнитом, и с ферромагнитными сердечниками. Ферромагнетик - это «вещь в себе», особая квантовая электродинамика, пе связанная с макродвижением зарядов. Спин электрона (и других частиц) и ток смещения в радиоволне не реагируют на ЭДС индукции. Это, кстати, относится и к орбитальным «токам» электронов в атомах.
Если эти потоки энергии грамотно технически создать и использовать, то можно создать электротехнические генераторы, в которых электроэнергии снимается в разы больше, чем нужно для вращения ротора-индуктора и преодоления магнитного тормозного момента на ротор-индуктор. Ясно, что, кроме «голой» физики, в таких электрических машинах надо решить ряд чисто инженерных, технических задач и проблем, связанных с созданием и преобразованием магнитных полей. И хотя уже разработана почти сотня устройств статического типа и машин вращения для генерации переменного (синус) и постоянного тока, в том числе и трёхфазных систем для промышленности, особо важен сам факт, что в электромагнетизме есть такая «брешь» в отношении закона сохранения.
Кто возьмется её заполнить? А главное - чем?
Статья взята из журнала "Техника молодёжи" за 09/2012 год.
Размещено на сайте 21.11.2013.
