Магнитодинамическое изменение прочности

on 24 November 2008.

 О принципиальной возможности изменения механических напряжений с помощью магнитного поля

  Проблема уменьшения механических нагрузок в самых разнообразных устройствах стоит очень остро. Увеличение коэффициента полезного действия устройств требует увеличения механической прочности этих устройств. И уменьшение габаритов, влекущее колоссальную экономию материалов, требует того же. Причем особенно жестко этот вопрос ставится для таких установок, как турбины, электродвигатели, электрогенераторы, гироскопические накопители энергии - то есть для тех устройств, которые поддерживают энергетику любой развитой страны.

    

 

Поэтому проблема стоит того, чтобы ее обсуждать. Любая находка на этом пути сулит так много, что необходим строгий анализ любой гипотезы или разработки. Для анализа, естественно, надо иметь какие-то реальные предложения. Автор имеет смелость сделать такое предложение.

     Силы, возникающие при движении проводника в магнитном поле, могут упрочнять или ослаблять конструкции.

     Рассмотрим механическую вращающуюся систему.

Возьмем массу образца М=10 кг. Пусть это будет диск и пусть радиус диска будет R=0.2 м. Частоту оборотов примем всего 50 в секунду (W=314 рад/с).

Механические усилия (принимая даже, что вся масса сосредоточена в кольце максимального радиуса!)

F=МRW2=10*0,2*3142=197000 Н=2*105 Н

Механические усилия, возникающие при вращении, всегда стремятся разорвать диск.

Между тем есть силы, возникающие при вращении диска в магнитном поле, которые могут как упрочнить диск, так и стремиться разорвать его.

     Автор считает, что подобное утверждение вполне обосновано.

Известно явление магнитострикции: при наложении на некоторые образцы магнитного поля они изменяют свои геометрические размеры.

Чтобы оценить величину возникающих сил, предположим, что изменение геометрических размеров (деформация) произошло за счет внешних сил (например, за счет пресса).

S*Е*(L2-L1)/L1=F

где S- площадь поперечного сечения образца,

Е- модуль Юнга,

(L2-L1)/L1 - относительное удлинение,

F- сила, необходимая для заданной деформации.

При магнитострикции образцы практически не изменяют своего объема. Поэтому укорочение образца сопровождается его расширением, и, наоборот, удлинение образца сопровождается его утоньшением.

Как магнитострикционный материал интересен сплав железа с кобальтом (50-50).  Относительное удлинение при напряженности поля 5*104 А/м составляет 65*10-6. Модуль Юнга порядка 2*1011Н/м2.Для взятого автором образца - диска весом в 10 кг и радиусом 0,2 м при плотности металла 7 880 кг/м3 толщина составит 1 см, а площадь боковой поверхности 1,26*10-2м2. Тогда

F=1,26*10-2*2*1011*65*10-6=163 800 Н

То есть магнитострикционные силы практически равны механическим разрывным усилиям (200000 Н) при данной частоте вращения и данном магнитном поле (которое при применении сверхпроводящих магнитных систем может быть многократно увеличено).

      Но магнитострикция не единственный эффект, возникающий при помещении вращающегося диска в магнитное поле.

      Известны и широко используются так называемые униполярные генераторы.

В наиболее простом виде униполярный генератор может представлять собой диск из проводящего материала, вращающийся с помощью внешнего привода в поле постоянного магнита. На проводнике, движущемся в магнитном поле, как известно, возникает разница потенциалов. Диск можно рассматривать как совокупность большого количества проводников, движущихся в магнитном поле. Между осью и периферией диска возникает разница потенциалов.

Эта разница потенциалов пропорциональна скорости движения проводника (V) (в нашем случае линейной скорости вращения), длине проводника (L) и величине магнитного поля (B).

U=BLV

Так как реально достижимые скорости ограничены прочностью материалов, а величина магнитного поля не превышает, как правило, 1-2 Тесла, то разница потенциалов невелика, она составляет 1-10 Вольт.

      В зависимости от направления поля и направления вращения диска электроны смещаются к периферии или к оси диска. Ионы "вморожены" в структуру металла и перемещаться не могут, по крайней мере, те силы, которые возникают при движении диска в магнитном поле, не могут переместить их.

     Перемещение зарядов будет происходить до тех пор, пока электрические силы не скомпенсируют силу Лоренца.

Предположим, электроны были отброшены к периферии диска. Вылететь из него они не смогут, потому что существует энергетический барьер, называемый работой выхода. Автоэмиссия электронов с поверхности проводника наступает при столь большом потенциале, который заведомо не может быть достигнут на униполярных машинах. Поэтому они будут скапливаться на периферии.

      Но ведь сила Лоренца, то есть сила, действующая на движущийся заряд со стороны магнитного поля, воздействует на каждый заряд в проводнике, а этих зарядов только в одном грамм-моле 6,02*1023 единиц для одновалентного веществ. Поэтому эта сила составляет столь приличную величину, что стоит ее подсчитать для какого-нибудь  конкретного устройства.

      Итак, данные для расчета.

Возьмем массу образца М=10 кг. Пусть это будет диск из железа (стали), молекулярная масса которой m=56г=0,056 кг. ( М/m=178).

Пусть радиус диска будет R=0,2 м. И пусть частота оборотов составит всего 50 об/с (W=314 рад/с). Примем валентность два. Магнитное поле пусть будет 1 Тл. Ставится вопрос: какой величины можно получить  суммарную силу, действующую на все заряды?

F=QVB

где Q=2*6,023*1023*1,6*10-19*М/m

=2*6,023*1023*1,6*10-19*178=34 170 000 Кл

Это заряд всех электронов, находящихся в данном диске

V=RW/2 - средняя линейная скорость. Для диска, вращающегося в магнитном поле, принимаем ее равной половине максимальной, ведь линейная скорость на оси равна нулю.

F=2х6,02х1023х1,6х10-19х0,2х314/2х10/0,056=1,08х109 Н.

Эта сила на четыре порядка больше центробежной силы.

      Смещение зарядов (то есть ток) происходит только в момент разгона. Затем перетекание зарядов прекращается. Сила Лоренца, действующая на движущиеся заряды (то есть на электроны и ионы проводника), компенсируется возникающими между зарядами электрическими силами.

Движение линейного проводника перпендикулярно силовым линиям магнитного поля приводит к появлению колоссальных усилий. Направление сил Лоренца для разноименно заряженных частиц проводника (электронов и ионов) противоположно, а это приводит к растяжению проводника. Поэтому в той или иной степени возникновение механических усилий должно быть зафиксировано у всех без исключения проводящих тел, перемещающихся в магнитном поле (или находящихся в переменном магнитном поле). То есть, по мнению автора, любое проводящее тело при движении в магнитном поле изменит свои геометрические размеры. Поэтому магнитострикция должна быть присуща всем без исключения проводящим телам, движущимся в магнитном поле. Относительно тел, покоящихся в магнитном поле, такого сказать нельзя.

     В случае же диска, вращающегося в магнитном поле, возникает несимметрия. Предположим, мы выбрали такое направление вращения диска, при котором электроны выталкиваются на периферию, а ионы к оси. На периферии образуется отрицательный избыточный заряд, на оси обнажается положительный заряд ионов. При разделении зарядов между ними возникает электрическое взаимодействие. Но центробежные силы, вызывающие растяжение диска, воздействуют именно на ионы! Ведь масса электрона в примерно в две тысячи раз меньше массы иона. Смещение электронов не может изменить кристаллическую решетку. Поэтому именно ионы надо заставить стремиться к центру (не двигаться, а именно стремиться), скомпенсировав этим центробежные силы. Если же со всех сторон диска ионы получают эту добавочную силу, то неизбежно должно последовать некоторое сжатие диска к центру.

     На ион, вращающийся в диске, действует целый набор сил. Во-первых, это центробежная сила. Во-вторых, это сила Лоренца, стремящаяся сместить ион к оси. В-третьих, это сила электрического взаимодействия иона с электроном. В-четвертых, это сила отталкивания между одноименно заряженными ионами.

Чтобы выразить яснее свою мысль, автор вынужден прибегнуть к аналогии, к сравнению с достаточно простым и понятным опытом. Предположим, мы имеем пружину, на концах которой закреплены грузы разной массы. К этим грузам приложены одинаковые силы. Пружина находится на вращающемся диске, причем внешняя сила (не центробежная), действующая на тяжелый груз, смещает его к оси, а сила, действующая на легкий груз, смещает его к периферии. При достаточном растяжении пружины упругие силы полностью компенсируют внешние силы. Но равенство всех взаимодействующих сил отнюдь не означает их отсутствие! Для компенсации внешних сил, приложенных к грузам, понадобилось растяжение пружины, причем вопреки центробежным силам тяжелый груз сместился к оси! Если же таких пружин и тяжелых грузов очень много (очень, очень много), и если именно тяжелые грузы определяют форму и структуру материала, то напрашивается вывод, что сколь бы далеко не улетели легкие грузы (да хоть бы и вообще за борт), они ни в коей мере не будут определять общего поведения материала при воздействии внешних сил.

      Предположим, действительно, что некоторая часть электронов покинула диск, то есть он приобрел положительный заряд. Поставим вопрос: какой величины должен быть заряд, чтобы при движении в магнитном поле полностью скомпенсировать центробежную силу, действующую на ионы.

     Итак, центробежная сила в рассматриваемом случае равна 2*105 Н.

Сила Лоренца

F=QVB=Qх(314х0,2/2)х1=2х105 Н

Откуда Q=6369 К

Это очень большой заряд... Если его накапливать. И если не знать, что количество электронов в одном моле одновалентного вещества порядка 10 в 23 степени, а ток - это заряд, прошедший через проводник за 1 секунду.

Если действительно дать электронам свободу движения, позволить им уходить с диска и возвращаться вне магнитного поля, то есть позволить течь току, то для униполярного генератора проблема вполне разрешима. Подобные генераторы могут обеспечить ток в десятки и сотни тысяч ампер, то есть протекающий в секунду через проводник заряд может быть и 100000 Кулон.

     Тогда сила, действующая на электроны, выгонит их во внешнюю цепь и будет гонять по кругу (диск - внешняя цепь - ось - диск), а сила, действующая на ионы, подожмет их к оси, упрочнив тем самым конструкцию. Мало того, рассматривая диск как множество параллельных проводников с током, можно заключить, что появится еще одна сила: сила взаимодействия токов. И эта сила будет также упрочнять диск, стягивать его.

Если упрочнение есть основная задача, то можно отбирать энергию для транспортировки тока от первичного двигателя, но можно использовать и внешний источник тока, например аналогичный униполярный генератор. Подавая ток с этого генератора на рабочий диск другого генератора, можно не только обеспечить электродинамическое упрочнение конструкции, но и управлять частотой вращения, переводить рабочий диск в генераторный или двигательный режим в зависимости от величины и направления подаваемого тока.

Но и просто накопить такой заряд вполне возможно. Посмотрите авторскую статью "Электродинамический аккумулятор энергии" на этом же сайте.

Электродинамическое упрочнение позволит увеличить скорость вращения, а это в свою очередь позволит уменьшить габариты установки при прежней мощности или поднять мощность при прежних габаритах.

Создание магнитного поля возможно или за счет постоянных магнитов. или протекания тока по катушкам из обычных проводников, или используя сверхпроводящую систему. Как недостатки так и достоинства способов известны. Магнитное поле постоянных магнитов слабо. При обычных проводниках недостатками считаются нагрев и большая потребляемая мощность, достоинством - простота и разработанность конструкций. При сверхпроводниках недостатками являются сложность и первоначальная дороговизна установки, достоинствами - малая потребляемая мощность и способность создания сильных полей. Если выигрыш по мощности позволяет с лихвой перекрыть потери, то предпочтение, очевидно, следует отдавать обычным проводникам. Если же габариты установки требуются наименьшие, а мощность максимальная, то это смогут обеспечить лишь сверхпроводники.

Таким образом, уже сейчас можно создавать вращающиеся системы, в которых центробежные силы полностью скомпенсированы магнитострикционными силами.

Воздействие магнитного поля на движущийся проводник  должно сопровождаться возникновением механических усилий, превышающих центробежные силы. Это утверждение требует проверки. А надо ли? Все без исключения проводники в той или иной степени являются магнитострикционными. Если два проводника с параллельными токами притягиваются друг к другу (кто-то возражает?), то не должен ли любой проводник с током стремиться стянуться, изменить свои геометрические размеры - ведь его можно рассматривать как бесчисленное множество рядом расположенных проводников с параллельными токами?

При использовании вращающихся систем с накопленными зарядами возможно создать усилия, наголову превосходящие центробежные силы, то есть добиться сжатия конструкции вопреки разрывным усилиям. А это позволит создать аккумуляторы энергии фантастической энергоемкости.

И точно также можно ослабить конструкцию, когда стоит такая задача, если поменять полярность (или направление движения). Ослабление механической прочности при обработке, например, металлов - это важная задача. Причем ясно, что движение в постоянном по величине магнитном поле может быть не только вращательным, но и возвратно-поступательным.