Второе дыхание магнитных систем

on 08 May 2008.

       Возможность управлять силами, которые многократно превосходят силы в окружающем нас мире, способность воздействовать на вещества и творить из них необходимые предметы – наверное, и так можно оценивать прогресс человечества.
       Каждый шаг в этом направлении сулит богатейшие перспективы, поэтому анализ и проверка рабочих гипотез представляет собой и проблему и интереснейшую тему для обсуждения.
Автор предлагает Вашему вниманию тему о влиянии магнитного поля на вещество и о некоторых эффектах в магнитных полях.
       Анализ гипотез он предлагает начать с модели, свойства и законы которой хорошо изучены.
        Представим себе такую установку. Между двух полюсов постоянного магнита находится вакуумированная камера. В эту камеру перпендикулярно линиям магнитного поля впрыскивается пучок электронов определенной энергии.
      Радиус вращения этого пучка в магнитном поле известной величины может быть определен. Электронный пучок движется по окружности, следовательно, с ускорением, и электроны теряют часть энергии на излучение. Движущиеся направлено заряды представляют собой ток, который, как известно, порождает магнитное поле. То есть мы имеем замкнутый виток с током, а у такого витка есть северный и южный магнитные полюса. Виток с током в магнитном поле должен провзаимодействовать с внешним магнитным полем.
      Известно, что если поле направлено к нам, то частицы с положительным зарядом вращаются по часовой стрелке, а частицы с отрицательным зарядом - против часовой стрелки. Но и в первом и во втором случае частицы создают свое поле, которое направлено против внешнего поля, то есть они ослабляют это поле.
     Если пучок частиц находится в однородном поле (между полюсами), то равнодействующая сила на него со стороны полюсов равна нулю. Если же внешнее поле неоднородно, то будет наблюдаться смещение пучка. Электроны и протоны будут смещаться в неоднородном поле по спирали в сторону ослабления поля как диамагнетики. Поэтому и плазма диамагнитна, она выталкивается в сторону более слабого поля.
     Для витка из проводника с током такое состояние является неустойчивым, он при малейшем смещении стремится занять положение, когда его поле направлено согласно внешнему полю и втянуться в область более сильного поля. Хорошая аналогия парамагнитных атомов!
   Известно, что магнитное поле не действует на неподвижный заряд. Но неподвижных зарядов в природе не наблюдается Даже при абсолютном нуле температуры есть движение электронов, есть тот нулевой уровень энергии, ниже которого опуститься природа не позволяет.
     Проверка на макрообъектах не выявила воздействие магнитного поля на неподвижный заряд, быть может, потому, что развитие взглядов на магнетизм, как на самостоятельную сущность, делало его не нужным. Но в природе нет ни веществ, ни частиц, которые бы так или иначе не реагировали с магнитным полем, как нет и совершенно неподвижных частиц.
    Но день ото дня увеличивается величина полей в лабораторных исследованиях. Поэтому и будет, безусловно, обнаружен ряд новых эффектов, величина которых не позволяла обнаружить их ранее.
     В неравномерном магнитном поле должна наблюдаться сепарация, разделение газовых смесей, так как магнитные свойства газов различаются. Диамагнитные составляющие будут отброшены в сторону более слабого поля, а парамагнитные будут втянуты в область максимального поля. Непрерывная откачка газов из этих областей может позволить разделять газы без больших затрат энергии.           Многократно повторив цикл сепарации можно довести концентрацию требуемых компонент до желаемых величин. Компоненты смеси могут быть только парамагнитны или только диамагнитны, но и тогда разделение их в неравномерном поле произойдет из-за различия магнитных проницаемостей.
       Магнитное поле в таких системах ведет себя как избирательно пропускающая мембрана. Использование подобной сепарации в комплексе с действующими установками, например, по получению кислорода или аргона из воздуха, может позволить многократно уменьшить расход энергии. Интенсификация многих процессов предварительным обогащением воздушных смесей кислородом может позволить значительно удешевить продукцию, сэкономить топливо, уменьшить количество токсичных выбросов (транспорт, тепловые станции, металлургическое производство).
        В электролитах и жидких средах неравномерное магнитное поле также вызовет разделение компонент.
        Магнитное поле может быть такой величины, что сорвет некоторые электроны с орбит. Условием этого является неравномерность поля, изменение поля на малых расстояниях на значительную величину (градиент поля). Если в отношение диа- и пара- магнетиков срыв электронов с атомных оболочек выглядит достаточно сомнительно (но не для сверхпроводников, у которых подобный эффект может быть значителен- быть может, именно это явление приводит к потере сверхпроводимости в мощных полях), то в отношении ферромагнетиков или сверхмощных магнитов подобное утверждение, по мнению автора, отнюдь не лишено смысла.
        Действительно, представим себе мощный магнит (или электромагнит), с полюсами, повернутыми друг к другу и находящимся на малом расстоянии друг от друга. Неравномерность поля обеспечена, например, несимметрией полюсов: площадь одного полюса в сотню раз больше площади другого. Пробный объект закреплен в области максимального градиента поля. Воздействие магнитного поля исказит электронные оболочки атомов, притянет те оболочки, где магнитные моменты или спины электронов оказались нескомпенсированы. Так как атомы находятся в решетке или другой системе, определяемой структурой вещества, то они вряд ли смогут сдвинуться, между тем как внешние электронные оболочки достаточно легко смещаются, деформируются под действием мощного магнитного поля и, в принципе, электроны могут покинуть свои орбиты.
       Еще более значительного эффекта эмиссии можно достичь, если пропускать ток через опытный образец в магнитном поле. Поле воздействует не на абстрактный ток, а на его носители, то есть электроны. Поэтому именно электроны будут стремиться вырваться из оболочки проводника. Но связанные колоссальными электрическими силами с ионами они потянут и их за собой, проводник начнет "течь", будет перейден предел механической прочности материала (1, с.70). Если поле значительной величины и ток велик, то появляется возможность обрабатывать материалы принципиально новым способом - постоянным магнитным полем. Силы, возникающие при взаимодействии импульсных токов, уже сейчас используются в промышленности в магнитно-импульсной обработке материалов (2). Но использование постоянного поля дает качественное превосходство. Во-первых, будут отсутствовать динамические, периодически повторяющиеся нагрузки, которые вызывают ускоренное старение конструкционных материалов; во-вторых, процесс можно будет сделать сколь угодно длительным, что позволит производить формование сложных конструкций; в-третьих, не будет происходить разрушение образцов и можно будет перейти к другим материалам, которые принципиально невозможно обработать импульсными методами из-за их хрупкости.
      Перед тем, как материал "потечет", произойдет интереснейшее явление: начнется невиданная электронная эмиссия. Почему она не была обнаружена до сих пор? Потому что ее никто не искал, потому что опыты с воздействием магнитными полями на проводник с током производились в воздухе или с проводами в изоляции, лежащими рядом. Хотя эффект Холла (возникновение поперечной э.д.с. в проводнике с током в магнитном поле) открыт достаточно давно, и, в принципе, на его основе можно было предсказать это явление.
      Что произойдет тогда, какие явления можно наблюдать?
      Электрон, оторвавшись от атома, скажем, в поверхностном слое вещества, может вылететь наружу, но после этого взаимодействие его с внешним магнитным полем резко уменьшится: как мы рассматривали на модели, он начнет описывать окружность, создавать собственный ток и вытолкнется в область более слабого поля. То есть, оболочка атома может втягиваться в область сильного поля, а оторванный электрон - выталкиваться из нее. Атом после потери электрона приобретет положительный нескомпенсированный заряд. Поверхностный слой образца поэтому зарядится положительно и будет препятствовать вылету электронов. Через некоторое время установится равновесие: сколько электронов вылетит из образца, столько и вернется в него. Возвращающиеся электроны опять попадают на свои орбиты, вновь образуют атомную магнитную систему (или ток, вызванный внешним источником) и вновь могут быть вырваны полем.
       Есть некоторая аналогия здесь с поляризацией вещества в электрическом поле. При внесении вещества в электрическое поле происходит перераспределение зарядов (если это проводник) или поляризация атомов или молекул (если это диэлектрик). Поляризация как раз и предполагает деформацию оболочек как один из механизмов реализации. Эмиссия электронов начинается после достижения некоторой величины электрического поля (автоэмиссия), но может быть облегчена подготовкой поверхности (острия) или подогревом образца.
        Раскаленная спираль с током в магнитном поле многократно увеличит ток эмиссии. Для многих электровакуумных приборов это означает возвращение в производство после поражения перед полупроводниками. Совместное действие термоэмиссии и магнитной эмиссии позволит достичь таких величин тока, которые позволят производить преобразование энергии в промышленных масштабах или миниатюризировать ламповые преобразователи до конкурентного размера.
Кроме того, наряду с эмиссией электронов будет наблюдаться и эмиссия (вызванная электростатическим полем электронов) ионов вещества, что позволит интенсифицировать процессы напыления и диффузии.    

       В отношении расплавов металлов, по которым пропускают ток и которые находятся в мощном магнитном поле, можно ожидать многократного увеличения подобных эффектов.
       Два проводника с параллельными токами, притягиваясь друг к другу, зарядятся в поперечном направлении от действия собственных полей. Эффект Холла приводит к тому, что на сторонах проводников, обращенных друг к другу будут скапливаться электроны, а дальние стороны поэтому зарядятся положительно. Одиночный проводник с током должен иметь э.д.с. между осью и периферией проводника, причем эта э.д.с. возникает от собственного постоянного магнитного поля!     

       Ось проводника становится заряженной отрицательно. Стягивание электронов к оси будет приводить к возникновению дополнительного сопротивления - ведь эффективное сечение проводника уменьшается. Не потому ли увеличение сечения проводника отнюдь не сопровождается пропорциональным увеличением максимально допустимого тока?
       Но есть тогда и способ борьбы с деградацией проводников (и сверхпроводников): их надо выполнять в виде плоских шин с множеством сквозных отверстий или использовать множество тонких проводников, разделенных магнитопроницаемой средой. Отверстия необходимы для свободного замыкания линий магнитного поля - иначе оно наводит э.д.с. Холла в толще проводника, которая вносит дополнительные потери при транспортировке энергии. Интересно, что именно разбиением сверхпроводника на тысячи и сотни тысяч жилок и помещением их в некоторый стабилизирующий материал (например, медь) удается избежать явления деградации. Поэтому косвенно гипотезу автора о необходимости замыкания силовых линий поля не через основной проводник тока уже можно считать подтвержденной. Вторым подтверждением можно считать увеличение критического поля у сверхтонких пленок сверхпроводников - из-за неизбежности примесей должны возникать зоны, сквозь которые силовые линии поля проходят, не нарушая сверхпроводимости всего образца.
        Известно, что электрон, влетающий в магнитное поле, начинает вращаться по спирали уменьшающегося радиуса - заряд, движущийся с ускорением, излучает, теряет энергию. Тепловые электроны в металле при воздействии на него магнитного поля, также должны излучать, терять энергию. Образец, следовательно, должен охлаждаться, и чем больше магнитное поле, тем более интенсивным будет это охлаждение. Температура образца будет понижаться до тех пор, пока суммарное (собственное тепловое + вынужденное) излучение его не сравняется с фоновым излучением окружающей среды. Нами же это явление будет воспринято, как ни странно, как "потепление" образца - ведь на его фоновое излучение наложится еще и вынужденное излучение (но, конечно, только до того момента, пока вещество не сбросит "лишнюю" энергию; после снятия магнитного поля обнаружится, что образец значительнее холодней среды - приблизительно так добиваются рекордов в охлаждении за счет адиабатного размагничивания). Плазма, например, при наложении на нее магнитного поля начинает более интенсивно светить (это есть факт); лишь снятие магнитного поля убедит нас, что она действительно остыла. Тому, кто хочет увеличить яркость и кпд люминесцентной лампы, достаточно поднести к ней магнит.
      Проводник, в принципе, тоже можно рассматривать как плазму. По мнению автора, закончится излучение образца в магнитном поле тогда, когда он станет сверхпроводником. Только тогда электроны обладают тем минимумом энергии, ниже которого они опуститься никак не могут. Но все другие образцы-проводники обязаны излучать в магнитном поле при температуре, отличной от абсолютного нуля! Электроны должны описать окружность в магнитном поле, следовательно, они будут двигаться с ускорением, а так как они не находятся на квантовых орбитах, то они должны излучить энергию.
       Вопрос о том, можно ли таким способом извлекать энергию из окружающей среды. Если в морской воде, например, при температуре 300 К создать мощное магнитное поле, то ионы и электроны, безусловно, будут излучать (синхротронное излучение). Но вот спектр этого излучения будет достаточно низкочастотный. В принципе, следовательно, возможно овладеть громаднейшими запасами энергии океана. Современные приборы позволяют зафиксировать ничтожно малую разницу в излучении тел, поэтому даже в небольших полях возможно наблюдать явление контраста температур образцов при наложении на них магнитного поля.
        Поддерживая температуру некоторого образца постоянной или изменяя ее по своему усмотрению при наложении магнитного поля можно получить излучатель (может быть, самый технически простой) электромагнитных волн. Разброс энергий ионов и электронов приведет к тому, что спектр излучения подобного излучателя будет очень широк.
       Все эффекты, которые можно бы было обнаружить при воздействии магнитного поля на вещество, напрямую зависят от величины этого поля. Между тем создание полей 20…30 Тесла представляет собой достаточно сложную проблему. Конечно же, эта проблема разрешима, получают поля и больших величин, но получают их в единичных лабораториях, стоят подобные эксперименты очень дорого, кроме того, рекордные поля получают, как правило, в очень малых объемах и на короткий промежуток времени, недостаточный для проведения сложных экспериментов.
Автор предлагает достаточно простую и легко осуществимую схему, позволяющую сконцентрировать поле магнита до рекордных величин.
        Представим себе магнит подковообразной формы. Магнит плотно упакован в сверхпроводник и закреплен. Со стороны одного полюса сверхпроводник открыт, широкое отверстие в сверхпроводнике позволяет силовым линиям магнитного поля свободно выходить, со стороны другого полюса сверхпроводник почти полностью перекрывает полюс, оставляя свободным для выхода силовых линий малое отверстие. Так как силовые линии магнитного поля должны быть замкнуты, то все линии из открытого полюса должны войти в тот полюс, в котором сверхпроводник оставляет лишь малое отверстие. Поэтому в области малого отверстия величина поля возрастет во столько раз, во сколько площадь открытого полюса больше площади этого отверстия.
        Сплавы ниобия с германием, например, не теряют сверхпроводимость при полях до 400 000 Эрстед. Для некоторых сверхпроводников еще не созданы магнитные поля, которые бы разрушили состояние сверхпроводимости. Поэтому сегодня даже трудно сказать, до каких величин удастся поднять поле в такой системе. Однако есть некоторый неприятный момент: сверхпроводники второго рода (то есть те, которые частично пропускают поле и на которых добились рекордных полей - это в основном сплавы) не сожмут идеально поле в малом отверстии, они все-таки частично пропустят его, а сверхпроводники первого рода, которые не пропускают магнитное поле (ртуть, свинец, алюминий и др.), не позволяют достичь рекордных полей. Но, как бы то ни было, значительно увеличить поле, даже при применении сверхпроводников второго рода, удастся несомненно.
         В электрических цепях многих приборов необходимо избавиться от взаимодействия между проводами, расположенными в непосредственной близости друг от друга.
Помещение проводников с током, имеющих тонкий слой диэлектрика, в сверхпроводящие оболочки позволяет избавиться от магнитного взаимодействия между ними как бы близко они не находились.
      Активное сопротивление проводника в такой оболочке (предположительно) увеличивается за счет воздействия уплотненного поля. Изменится также индуктивное сопротивление - оно уменьшится, причем очень значительно (поднесение к проводнику ферромагнетика увеличивает его индуктивность, диамагнетика - уменьшает. Сверхпроводник представляет собой идеальный диамагнетик, поэтому следует ожидать значительного уменьшения индуктивности). Емкостное сопротивление изменится незначительно - по крайней мере опыты, которые проводил Лондон со сверхпроводящими конденсаторами, подтверждают это.
        Создание малоиндуктивного кабеля является само по себе серьезной задачей.
Быть может, ближе к практическому использованию передача магнитной энергии с помощью сверхпроводников.
        Представим себе замкнутую кольцом трубу из сверхпроводника (тор), в которой размещены две катушки. На одну катушку подается переменное напряжение промышленной частоты, с другой катушки мощность снимается на нагрузку. Постоянное магнитное поле и поле малой частоты не проходит сквозь сверхпроводник. А это означает, что все магнитное поле, образованное первой катушкой без какого бы то ни было рассеивания останется в пространстве сверхпроводящей трубы.    

      Обеспечив достаточно плотную упаковку катушки в сверхпроводник, чтобы силовые линии магнитного поля никак не могли замкнуться в околокатушечном пространстве, можно добиться замыкания поля через трубу.
        То есть, сверхпроводящая труба является идеальным магнитопроводом!
Изменения магнитного поля малой частоты (а 50 Гц следует считать малой частотой) передадутся на большие расстояния практически безо всякого затухания и рассеивания (не говоря уже о малых расстояниях в трансформаторах или электрических машинах). Тепловые потери в катушках, конечно же, проще всего избежать, если и их сделать сверхпроводящими. Как и в случае передачи электрической энергии необходимо иметь два сверхпроводника (магнитопровода), один для ввода поля, например, со стороны полюса, который в данный момент времени является северным, другой для вывода его и возвращения на катушку на южный полюс. Однако и здесь применение сверхпроводников первого рода ограничено величиной поля, а сверхпроводников второго рода - частичным проникновением поля в сверхпроводник, что вызовет некоторые потери.
        Потребность в преобразовании энергии магнитного поля в электрическую может и отсутствовать. Например, для многих физических экспериментов требуется именно магнитное поле (постоянное или переменное), поэтому магнитопровод может быть напрямую подключен к установке.
         Замечательное в применении сверхпроводников для транспортировки магнитной энергии то, что по ним не протекает транспортный ток. Поэтому потеря сверхпроводимости на каком-нибудь участке не приведет к развалу всей системы.
Передача энергии по проводам на сегодня самый эффективный способ транспортировки энергии.
       У трансформаторов и электродвигателей, как известно, энергия передается посредством магнитного поля по магнитопроводам. Эффективность подобной передачи достаточно велика, но потери на больших расстояниях огромны, не говоря уже о материалоемкости подобного способа.
Попытки промышленной передачи электрической энергии по сверхпроводникам столкнулись с такими техническими трудностями, что реализация этого способа отложена на неопределённый срок.
       Между тем идеальный диамагнетизм сверхпроводников просто напрашивается для передачи именно магнитной энергии.
Список использованной литературы.
1. Карцев В. П. Магнит за три тысячелетия. Москва, Атомиздат,1978, 159 с.
2. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. Харьков, "Вища школа", 1977, 168 с.