Магнитно полевой двигатель. Магнитно-полевой двигатель: принцип работы, перспективы и ограничения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроен магнитно-полевой двигатель и каковы его преимущества перед традиционными реактивными двигателями. Возможен ли полет в космосе без выброса реактивной массы. Какие фундаментальные ограничения существуют для создания подобных двигателей. Насколько реалистичны идеи безопорного движения с помощью магнитного поля.

Содержание

Принцип работы магнитно-полевого двигателя

Магнитно-полевой двигатель — это гипотетическое устройство, которое теоретически могло бы обеспечивать движение космического аппарата без отбрасывания реактивной массы. Основная идея заключается в создании и манипулировании магнитным полем вокруг корабля таким образом, чтобы возникала тяга.

Существует несколько концепций того, как мог бы работать такой двигатель:

Создание асимметричного магнитного поля, которое взаимодействует с магнитным полем планеты или звезды
Генерация электромагнитных волн определенной конфигурации, создающих тягу
Манипуляция квантовым вакуумом с помощью сильных магнитных полей

Искривление пространства-времени вокруг корабля с помощью сверхсильных магнитных полей

Однако все эти концепции на данный момент остаются чисто теоретическими и не имеют экспериментального подтверждения. Более того, они противоречат фундаментальным законам физики в их современном понимании.

Преимущества магнитно-полевого двигателя перед реактивными

Если бы удалось создать работающий магнитно-полевой двигатель, он имел бы ряд существенных преимуществ перед традиционными реактивными двигателями:

Отсутствие необходимости в запасе топлива, что значительно снизило бы массу космического аппарата
Теоретически неограниченная дальность полета
Возможность развивать очень высокие скорости, вплоть до околосветовых
Отсутствие выхлопа и загрязнения окружающей среды
Бесшумность работы

Эти преимущества сделали бы межпланетные и межзвездные перелеты гораздо более осуществимыми технически и экономически. Однако пока создание таких двигателей остается в области научной фантастики.

Фундаментальные ограничения для магнитно-полевых двигателей

Существует ряд фундаментальных физических принципов, которые ставят под сомнение саму возможность создания магнитно-полевого двигателя:

Закон сохранения импульса — для создания тяги необходимо что-то отбрасывать в противоположном направлении
Невозможность создания изолированного магнитного заряда (монополя)
Принцип относительности — невозможно определить абсолютное движение
Законы электродинамики — замкнутая система зарядов не может создать тягу

Преодоление этих ограничений потребовало бы пересмотра фундаментальных основ современной физики. Пока достоверных экспериментальных свидетельств в пользу такого пересмотра нет.

Эксперименты с прототипами магнитно-полевых двигателей

Несмотря на теоретические ограничения, периодически появляются сообщения о создании прототипов магнитно-полевых двигателей. Наиболее известные из них:

EmDrive — резонансная полость с СВЧ-излучением, якобы создающая тягу
Двигатель Шойера — вращающиеся магниты, предположительно генерирующие гравитационные волны
Установка Подклетнова — сверхпроводящий диск, якобы создающий антигравитацию

Однако ни один из этих экспериментов не получил независимого подтверждения. Во всех случаях наблюдаемые эффекты можно объяснить погрешностями измерений или неучтенными факторами.

Перспективы создания магнитно-полевых двигателей

На данный момент перспективы создания работающего магнитно-полевого двигателя выглядят крайне туманными. Для этого потребовался бы прорыв в фундаментальной физике, сравнимый по значимости с созданием квантовой механики или теории относительности.

Тем не менее, исследования в этом направлении продолжаются. Основные надежды связаны с:

Открытием новых фундаментальных взаимодействий
Обнаружением «пятой силы» помимо известных фундаментальных взаимодействий
Созданием управляемых гравитационных полей
Манипуляциями с «темной энергией» и «темной материей»

Однако пока все эти направления остаются чисто гипотетическими. Для практического космоплавания в обозримом будущем придется полагаться на проверенные реактивные технологии.

Альтернативные концепции космических двигателей

Помимо магнитно-полевых, рассматриваются и другие экзотические концепции космических двигателей, не использующих реактивную тягу:

Солнечный парус — движение за счет давления солнечного света
Электродинамический трос — взаимодействие с магнитным полем планеты
Гравитационный маневр — использование гравитации планет для разгона
Фотонный двигатель — создание тяги за счет излучения
Термоядерный импульсный двигатель — микровзрывы термоядерных зарядов

Некоторые из этих концепций уже нашли ограниченное практическое применение. Другие пока остаются на стадии теоретической разработки. Но все они основаны на проверенных физических принципах, в отличие от гипотетических магнитно-полевых двигателей.

Заключение

Идея магнитно-полевого двигателя, позволяющего летать в космосе без расхода топлива, остается крайне привлекательной. Однако на данный момент она противоречит фундаментальным законам физики. Создание такого двигателя потребовало бы радикального пересмотра наших представлений об устройстве Вселенной.

Тем не менее, исследования в этом направлении продолжаются. Даже если работающий магнитно-полевой двигатель так и не будет создан, эти работы могут привести к важным открытиям в фундаментальной физике. А это, в свою очередь, может открыть новые перспективы для космических полетов.

Магнитный двигатель Charles Flynn’s — Эко Энергия

Магнитный двигатель Charles Flynn’s

Автор: Patrick J. Kelly (перевод редакции https://ecolm.ru)

Магнитный двигатель Charles Flynn’s. показан в полном объеме в патенте US 5,455,474 от 3 октября 1995 года и описаны все подробности этого интересного изобретения. В патенте говорится: «данное Изобретение относится к способу получения полезной энергии с помощью магнитов в качестве движущей силы и представляет собой важное усовершенствование по сравнению с известными конструкциями, а также он проще для построения, его можно сделать самостоятельно, легче настраивать и он имеет меньше шансов выйти из строя».

Данный тип двигателя является относительно стабильным и производит удивительное количество выходной энергии. В этой конструкции используются постоянные магниты в качестве источника движущей силы, но применен новый способ контроля магнитного взаимодействия. Это устройство может быть использовано, чтобы генерировать достаточное количество энергии.
Патент описывает больше, чем одну конструкцию:

Вид с разнесенными частями:

Данная конструкция является относительно простой, но с мощным потенциалом. Питание обеспечивается тремя магнитами, окрашенными в голубой и желтый цвета. Нижний магнит выполнен в форме диска. Это статорный магнит, который не двигается. Расположенный над ним диск, изготовленный из немагнитного материала (затененный серым цветом) в который вмонтировано два магнита. Это диск ротора и он крепится к центральному вертикальному валу.
Просто так ротор не будет вращаться, но между дисками есть кольца из семи катушек, которые используются для изменения магнитного поля и производят мощное вращение.

Для включении этих катушек используется фотопара которая управляется (вкл/выкл) сквозь прорези в оптическом-тайминг диске, прикрепленный к вращающемуся валу. Светодиоды и фото-транзисторы совмещены с центрами семи катушек. Положение и ширина прорези управляет тем, какие фото-транзисторы включаются и как долго они остается под напряжением. Это очень аккуратное и компактное размещение. Рассмотрим как катушки изменяют магнитное поле, чтобы создать непрерывное вращение двигателя. Ориентация полюсов магнита могут быть поменяны местами, при условии, что это делается для всех трех магнитов.

Показанная здесь ситуация, когда один из магнитов ротора поворачивается туда, где одна из катушек еще не включена. Южный полюс магнита ротора притягивается к Северному полюсу, которым является вся верхняя плоскость магнита статора, как показано тремя стрелками. Если напряжение прикладывается к катушке, тогда эта магнитная связь нарушается и изменяется. Если крутящий момент складывается в результате включенной катушки, тогда он будет развиваться в обе стороны под напряжением катушки. Если катушка не запитывается, то там будет только притяжения между магнитами и никакая сила вращения производиться не будет. Вы заметили, что есть два вращающихся магнита (четное число) и семь катушек (нечетное число), поэтому, когда один из магнитов ротора находится над катушкой, то другие нет. Это ошеломляюще, условие имеет огромное значение для формирования плавного, непрерывного вращения и самозапуск без какой-либо необходимости крутить вал вручную.

Этот рисунок показывает оба положения диска ротора, чтобы пояснить работу катушки. Слева, магнит 56 перекрывает катушки 32 и 34. Катушка 32 включена и это разрывает магнитную связь на левой стороне магнита 56. Но, катушка 34 не включена, так что притяжение между магнитом 56 и магнитным диском под катушкой остается. Хотя это положение находится под нисходящим углом, он создает давление на ротор, ведя его вправо, как показано красной стрелкой.
Пока это происходит с магнитом 56, что же происходит с другой стороны диска с магнитом 54. Магнит 54 находится над незапитанной катушкой 36 так что нет результирующих сил в любом направлении. Соседняя катушка 38 тоже не включена и поэтому не оказывает никакого влияния на вращение. Этот способ работы является очень близким к конструкции мотора Роберта. Важно понимать, что этот метод работы не имеет ничего общего с принципом работы мотора-генератора Джона Бедини, где вращение диска вызывается электрическим импульсом, подаваемым на катушку. Вместо этого, здесь, катушки работают как магнитный экран, с потреблением минимально возможной мощности. Катушка является, по сути, щитом, который не имеет движущихся частей, и вместе с блоком управления является очень умным механизмом для преодоления точки взаимной компенсации магнитных потоков.

В любой момент, шесть из семи катушек являются неактивными, так что по сути, только одна катушка запитывается. Это очень не большое потребление тока. Важно понимать, что мощность этого мотора обеспечивается постоянными магнитами, которых тянет друг к другу. У каждых из двух магнитов применяется горизонтальная тяга на роторе каждую одну седьмую оборота, то есть каждый 51.1 градус в повороте. Так как катушек нечетное число, ротор получает магнитное притяжения каждое 25.5 градусов в повороте, сначала от одного магнита ротора, затем от другого.
Отсюда следует то, что мощность мотора может быть увеличена путем добавления дополнительных магнитов. Чтобы увеличить мощность, можно добавить второй магнитный диск и катушки с другой стороны ротора, так появляется вторая тяга на магните. Это уравновешивает ротор, что дает повышенную и сбалансированную горизонтальную тягу, как показано здесь:

Схема переключения катушек показана здесь:

Это увеличивает горизонтальную тягу.
Можно создать гораздо более простую конструкцию, чем с целиковым кольцом статора, используем стандартные цилиндрические неодимовые магниты, а катушки размещаем на верхней части магнитов:

Для увеличения мощности выходного вала добавьте дополнительные наборы магнитов и катушек, как показано здесь:

Следует помнить, что для стабильной коммутации можно применить Таймер NE555, который генерирует стабильные импульсы Вкл / Выкл. Когда эти импульсы подаются на катушки, мотор вращается. Это дает контроль скорости двигателя, а также исключает необходимость точного позиционирования прорези диска, что позволяет Светодиодам светить непосредственно на фототранзисторы в соответствующее мгновение. Если такой подход принимается, то следующие разделы можно пропустить.

На схемах Чарльз показывает, что питание на катушки подается через N-канальный МОП-транзистор. Вот его схема для коммутации одной из катушек:

Всего пять компонентов. Ток через катушки регулируется с помощью транзистора. В данном случае это полевой транзистор обычно называется “FET”. Наиболее распространенный тип FET – “N-канальный”, который является лучшим эквивалентом NPN транзистор, как описано в главе 12. Полевые транзисторы этого типа выключается, когда напряжение на его “затворе” (обозначен “g” на схеме) составляет 2,5 вольта или ниже. Он включается тогда, когда напряжение на его затворе – 4,5 вольта или больше.

В этой схеме мы хотим, чтобы FET включался, когда синхронизационный диск находится в правильном положении и был выключен во всех остальных случаях. Чарльз решил использовать фото-транзистор, но можно использовать фото-резистор, например ORP12. Когда свет светит на “Opto1” устройства в принципиальной схеме, его сопротивление резко падает, поднимая напряжение на затворе полевого транзистора и открывает его. Этот механизм управляет обмоткой двигателя, чтобы включаться и выключаться в нужное время, чтобы дать мощное вращения вала двигателя. В цепи, резистор R1 является ограничивающим. Резистор R2 имеет низкое значение по сравнению с сопротивлением “Opto1” когда свет не падает на него, и это держит напряжении на затворе транзистора низким, чтобы FET полностью выключался.
Как вы можете видеть, это очень простая схема. Цепь для питания двух катушек выглядит так:

Если используется несколько механизмов, то катушки расположенные друг над другом могут быть соединены так:

Подключение нескольких катушек “в серию” (в цепочке), сокращает количество электронных компонентов, и импульсы в каждой из этих катушек появляются одновременно.
В этом патенте, Чарльз Флинн замечает, что этот двигатель может быть использован практически для любых целей. Чарльз выпустил двигатели этого типа, которые способны вращаться на очень высокой скорости – 20000 оборотов в минуту и со значительным крутящим моментом.
Ниже приведены примеры использования различных схем коммутации:

Выходное напряжение на контактах “1”, “2”, “3” и “4” переходит один за другим, как показано на схеме выше. Итак, каждый из этих выводов будет подключен к затвору FET в таком порядке и полевые транзисторы будет включен в том же порядке.
Схема включения таймера N555 может быть такой:

Это позволяет контролировать скорость, когда требуемая скорость будет достигнута, длительность импульса может быть изменена, чтобы дать минимальный ток, и поддерживать эту скорость. Есть, конечно, много других подходящих схем, которые могли бы использоваться вместо этих.
Если так случилось, что трудно найти подходящий кольцевыми магнитами с полюсами на противоположных сторонах, то я полагаю, что возможно использовать стандартные прямоугольные магниты и прямоугольные катушки, как показано здесь:

И хотя этот механизм не столь эффективен, как круговой магнит, у него есть свои плюсы – это позволяет делать конструкцию ротора любого выбранного размера. В идеале, там должно быть нечетное количество магнитов.
Цель каждой катушки – это просто нейтрализовать магнитное поле постоянного магнита под ней. Не забывайте это при конструкции двигателя, поэкспериментируйте с количеством витков и сечением провода, чтобы добиться свободного прохождения магнитов при минимальном токе.

Автор: Patrick J. Kelly (перевод редакции https://ecolm.ru)

Полевой двигатель будоражит разум | Экстремальная механика / Extremal mechanics

Этот фрагмент из шедевра 1968 года — «Космический Одиссей 2001″ служит фантазией на тему того, как мог бы выглядеть полет полевого звездолета изнутри, … если бы его когда-нибудь удалось построить. На сайте «Экстремальная механика» данная проблема затронута в статье http://extremal-mechanics.org/archives/675, и отношение к ней не изменилось. Полевой двигатель невозможен ровно по той причине, по которой барон Мюнхгаузен никогда не вытаскивал себя за волосы из болота. Точнее: корабль не сможет самостоятельно генерировать электромагнитное поле, которое увлечет его вперед иначе, как посредством излучения в обратную сторону. Последнее относится к идее фотонного звездолета, имеющей свои, фундаментальные трудности http://extremal-mechanics.org/archives/714 . Однако в этой статье пойдет речь о полевом двигателе, который не нуждается в законе сохранения импульса. О романтическом мираже, который притягивает шарлатанов, любителей фантастики и даже настоящих ученых.

Один из них — Эдуард Римович Смольяков, известный специалист по оптимальному управлению. Стоит пояснить, что это — раздел математики, который имеет важные, технические приложения. Профессор Смольяков пишет в своей книге http://mulder.ucoz.ru/_ld/0/13_SUM-1-3B.pdf о том, как в юности стал очевидцем НЛО, и это оставило в его душе неизгладимый след. Попытки научно объяснить стремительный полет объекта, который явно игнорировал инерцию, завели автора пожалуй слишком далеко. Однако каждый ученый имеет право искать истину там, где надеется найти ее.

Лженаука начинается тогда, когда автор игнорирует аргументы, не желает признавать ошибки и не гнушается дискредитацией оппонентов для защиты своих фантазий. Это нередко сопряжено с попытками продать фальшивые открытия и/или назойливой саморекламой, что следует квалифицировать, как лжеученое мошенничество (шарлатанство). Ярким примером этому служит активность самозванного PhD из Узбекистана, который агрессивно проталкивает идею двухколесной гидротурбины, способной извлекать энергию из текущего потока за счет энергии самого потока (!) http://extremal-mechanics.org/archives/5108. После разоблачения мошенника в июне 2013 он тратит массу времени и сил на то, чтобы облить меня грязью везде, где только может. Хотя для того, чтобы доказать свою правоту, достаточно было бы провести всего один успешный опыт с устройством не сложней велосипеда. Но … шарлатаны следуют своим путем. Менее радикальные, но интересные примеры разобраны в статьях http://extremal-mechanics.org/archives/11663 и http://extremal-mechanics.org/archives/6540 .

Но все это не имеет никакого отношения к смелым, научным поискам Э.Р. Смольякова, которые достойны уважения. В сущности его идеи — это математические грезы о том, как должен был бы быть устроен Мир, чтобы в нем стали возможными межзвездные полеты … и НЛО, как космические корабли пришельцев. Отчаянная попытка снять проклятие чудовищных, межзвездных расстояний, которые мы не в состоянии преодолеть!

Статья http://extremal-mechanics.org/archives/12256#more-12256 содержит ссылки на публикации данного сайта, которые посвящены проблеме межзвездного полета. К сожалению, в них нет ничего утешительного для романтиков. Однако статья Э.Р. Смольякова «Полеты с помощью магнитного поля» может утешить многих http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2014/09/cosmic2b1.pdf. Она написана живо и интересно, но является научной, а не научно-популярной. Для полного понимания текста нужно знать математику на уровне технического ВУЗа. Я искренне рекомендую ее прочитать, хотя и в корне не согласен с содержанием.

Мой отзыв на этот текст в апреле 2014 был отправлен г-ну Добрыдневу, который издает в Британии журнал «Колонизация космоса», в ответ на его просьбу дать рецензию. В итоге автор отозвал свой текст, а я запретил Добрыдневу публиковать мой отзыв, т.к. вполне удостоверился в провокационном характере данного издания http://extremal-mechanics. org/archives/12794.

Недавно я узнал о том, что г-н Добрыднев собрался опубликовать статью Э.Р. Смольякова вместе с моим отзывом без указания авторcтва. Владелец журнала «Колонизация космоса» видимо хочет сделать вид, что именно он является автором отзыва (хотя на это ему не хватит квалификации). Или использовать мой анализ в якобы отзыве редакции, которая пропускает бредни о разгоне космических кораблей за счет ударов о встречные предметы. Меня он не предупреждал о своих фокусах. Во избежание таких неясностей я публикую отзыв на своем сайте и предупреждаю г-на Добрыднева о том, что его деятельность юридически сомнительна.

Сегодня статья «Полеты с помощью магнитного поля» с расширенным названием размещена в журнале http://istina.msu.ru/publications/article/688082/, поэтому надеюсь, что моя публикация будет корректной по отношению к уважаемому Э.Р. Смольякову. Однако отзыв привязан к тексту этой статьи, который был направлен в журнал «Колонизация космоса» в марте 2013 http://extremal-mechanics. org/wp-content/uploads/2014/09/cosmic2b1.pdf.

Критические замечания к статье Э.Р. Смольякова «Космические полеты с помощью магнитного поля»

Д.Б. Зотьев, д.ф.- м.н.

Аннотация

Известный математик Э.Р. Смольяков написал статью, которая посвящена принципу безреактивного движения с помощью магнитного поля, генерируемого космическим кораблем. На этом пути автор полагает возможным объяснить феномен НЛО, а также преодолеть фундаментальные препятствия к межзвездным путешествиям. В критических замечаниях отмечены несоответствия между математической теорией Э.Р. Смольякова и физической реальностью.

Известный математик, специалист по оптимальному управлению Э.Р. Смольяков написал статью, которая является продолжением его оригинальных исследований в области электродинамики и посвящена принципу безреактивного движения с помощью магнитного поля, генерируемого космическим кораблем. На этом пути автор считает возможным объяснить феномен НЛО, а также преодолеть фундаментальные препятствия к межзведным путешествиям. Несмотря на высокий уровень научной квалификации автора, который в полной мере отражается в статье, она радикально противоречит физике. Поэтому представленные результаты следует считать математической фантастикой. В статье отражается общий интерес к т.н. полевым двигателям, который во многом объясняется фантастической сложностью проблемы космического полета не только с релятивистскими скоростями, но даже ~10 000 км/сек. Последнее отняло бы больше века на путешествие до ближайших звезд, однако и на это, по-видимому, человечество не будет способно в обозримом будущем. Поэтому идеи Э.Р. Смольякова, которые вдохновляют на поиск решения этой фундаментальной проблемы, заслуживают внимания. Однако имеют место значительные несоответствия между его математической теорией и физической реальностью, которые указаны в этих критических замечаниях.

В статье предлагается теоретическое обоснование принципа космического движения, который относится к классу т. н. полевых двигателей. Их характерной особенностью является использование электромагнитных полей с отказом от закона сохранения импульса. Последнее автор недвусмысленно подчеркивает на первой странице текста: «В подобных полетах полностью исключается влияние реактивной тяги (т.е. выброса массы).» Следует заметить, что реактивную тягу может создавать не только выброс массы, но и электромагнитное излучение — пучок фотонов. Однако в этой статье эффект излучения не рассматривается и не подразумевается. В своих вычислениях автор отбрасывает электрическую компоненту поля, ограничиваясь магнитной. Такой подход несовместим с квантовой механикой и, в частности, с понятием фотона и его импульса. Кроме того, он несовместим с классической теорией излучения, поэтому закон сохранения импульса в любом виде игнорируется.

Таким образом, идея обсуждаемой статьи, как любой другой вариант «полевого двигателя» (propellantless field drive), нарушает закон сохранения импульса. Этого достаточно, чтобы признать результаты статьи ошибочными с точки зрения той физики, которая подтверждена экспериментами и применяется на практике. Исследования полевых двигателей ведутся давно, но пока безуспешно. Еще в 1980 высказывалось мнение о том, что в ближайшее десятилетие появится космический двигатель, работающий без реактивной тяги [1]. Такого рода идеи пытаются заглянуть за горизонт, и если они предполагают изменение структуры пространства-времени вокруг корабля, то противоречия с законом сохранения импульса можно избежать [2]. Нельзя исключать, что когда-нибудь это получится, однако теория Э.Р. Смельякова de’facto отвергает физику. Его полевой двигатель основан не на свойствах пространства-времени и взаимодействиях полей, которые пока не установлены. Этот принцип опирается на другую электродинамику, которая противоречит существующей и не имеет эмпирических оснований.

Автор исходит из альтернативного уравнения (4), которое противопоставлено классическому (3), как более точное. Но уравнение (3) не является «слишком грубым». Оно достаточно точно описывает движение заряда в поле, на которое заряд почти не влияет. Уравнение (4) было получено в работах Э.Р. Смельякова, например [3]. При этом была допущена ошибка, которая обсуждается ниже. Рассмотрим ее последствия.

На стр. 67 книги [3], где формула (4) дана под номером (6.7а), сказано, что в случае точечного заряда из (6.7а) следует (6.8). Последняя совпадает с (3), однако для заряда массой , движущегося по траектории , уравнение (4) сводится к

(*)

Очевидно, что это уравнение в обобщенных функциях не равносильно (3). Таким образом, правая часть (4) не сводится к силе Лоренца (3) в случае точечного заряда, движущегося в независимом от него поле. Для учета торможения заряда излучением есть приближенная формула (75.9, [4])

которая применяется, если излученное поле мало по сравнению с внешним . Получить эту формулу из (*) также невозможно. Таким образом, в том, что касается влияния внешнего поля на точечный заряд, уравнение (4) противоречит электродинамике.

Однако из пояснений в [3] и текста обсуждаемой статьи видно, что автор рассматривает (4), как выражение связи между зарядами и излучаемым ими полем. Следовательно, то же относится к уравнению (*). Из него следует, что в любой точке имеет место

(**)

Здесь речь идет о поле с компонентами , которое излучает заряд с траекторией , где . Однако из формул (63.8) и (63.9) книги [4] следует, что (**) не имеет места.

Таким образом, уравнение (4) противоречит электродинамике в том, что касается излучения поля точечным зарядом. Из уравнения (4), рассматриваемого при произвольно и непрерывно заполненном зарядами пространстве, в книге [3] получены уравнения (6.11), (6.12), (6.16), которые предлагаются в качестве альтернативы уравнениям Максвелла. Найти что-либо общее почти невозможно! Автор прямо пишет о том, что уравнения Максвелла являются весьма специфическим, частным случаем его уравнений. Настолько частным, что, например, электромагнитные волны уже не могут быть описаны классическими уравнениями (на стр. 70 [3] магнитному полю «запрещено» быть переменным). Рассуждения в обоснование необходимости такой замены носят математический и субъективный характер. Для такой радикальной ревизии основ электродинамики, по-видимому, нет никаких физических причин.

Математическая идея, которая положена в основу вывода уравнения (4), изложена на стр. 61 [3]. Утверждается, что вывод уравнений Максвелла из принципа наименьшего действия является не вполне корректным. Вместо этого предлагается решать задачу оптимального управления, которую можно изложить следующим образом. Пусть электрические заряды равномерно распределены в области . Необходимо найти закон движения этих зарядов на заданном интервале времени , т.е., семейство диффеоморфизмов , зависящих от при некоторых условиях гладкости, а также «режим управления» , так чтобы

Здесь , — массовая плотность зарядов, величины и обычным образом выражаются через «потенциалы поля» и , вектор скорости заряда в точке в момент времени определяется из соотношения:

, при этом накладывается условие .

Используя, очевидно, собственные результаты в теории оптимального управления, автор получает необходимые условия оптимальности, из которых выводит уравнение (6.7а) [3] . Оно же — уравнение (4), ключевое в обсуждаемой статье и альтернативной электродинамике Э.Р. Смолякова.

Не вдаваясь в математические подробности данного результата, можно отметить следующее. Оптимальность управления и соответствующего процесса означает, что при найденных параметрах управления целевой функционал достигает максимума относительно вариаций процесса, но не параметров управления. В данном случае это означает, что максимум функционала достигается на некотором в классе диффеоморфизмов , где , при некоторых функциях . Однако сами эти функции, играющие роль параметров управления, по-видимому не варьируются. Поэтому хотя является стандартным функционалом действия для электромагнитного поля с зарядами [4], взятым с обратным знаком, принцип наименьшего действия по отношению к собственно полю здесь не применяется. Видимо в этом заключается исходная ошибка, которая привела к столь необычной электродинамике. На мой взгляд, идея свести вывод уравнений электромагнитного поля к задаче оптимального управления зарядами является искусственной.

В данной статье формула (4), фактически, применяется к движению точечного магнита без электрического заряда. Такая задача лишена физического смысла, поскольку магнитных зарядов не существует. В работе подразумевается магнит конечных размеров (космический аппарат), но рассматривается движение его центра масс. Поэтому de’facto принимается, что в каждой точке магнита поле имеет один и тот же вектор . Возможно автор пришел к этому, рассматривая движение соленоида (он создает внутри себя почти однородное поле).

Однако в данном случае магнит взаимодействует со своим собственным полем, которое является однородным в объеме тела. Чтобы придать магниту поступательное движение под действием магнитного поля, последнее не должно быть однородным. Например, если мы хотим заставить соленоид двигаться вдоль своей оси, то внешнее поле должно иметь радиальную компоненту, поэтому оно не может быть однородным. Если же магнит подвергается воздействию однородного поля , то он способен разве лишь вращаться под действием крутящего момента , где — магнитный момент. Но тогда модель материальной точки теряет смысл, а поступательное движение под действием магнитных сил в этом случае невозможно.

Таким образом, отбрасывая электрическую компоненту поля применительно к модели намагниченной, материальной точки, автор приходит к физически бессодержательной задаче. При этом применяется формула (4), которая грубо противоречит электродинамике. Доказательством этого, помимо сказанного выше, являются ложные утверждения, полученные из (4). В их числе формула (5), из которой вытекает все последующее.

С учетом того, что автор пренебрегает компонентой , правая часть (5) равна , где — плотность энергии поля. Формально уравнение (5) выглядит, как правильное выражение силы через потенциальную энергию: . Под потенциальной энергией всегда подразумевается энергия взаимодействия тела с силовым полем или другими телами (что в сущности одно и то же). Но выражение

которое в (5) фигурирует при , дает плотность энергии электромагнитного поля как такового, а не энергию его взаимодействия с магнитом. Таким образом, формула (5) не имеет отношения к реальности.

Стоит также заметить, что рассуждения о комфортной невесомости внутри летящего магнита являются ошибочными. Дело в том, что люди и другие предметы внутри такого аппарата не являются магнитами и не подвергаются действию магнитных сил. Поэтому они испытывают инерционные ускорения и все «удовольствия», которые с ними связаны.

Таким образом, все физические выводы этой статьи противоречат механике и электродинамике. Ясно, что автор создал новую теорию, исходя из математических соображений. Однако она существенно противоречит существующей физике, которая подтверждена экспериментами. На стороне теории, изложенной в статье, только свидетельства очевидцев НЛО. Исходя из вышесказанного я возьму на себя смелость утверждать, что такой принцип движения не может быть реализован в нашей Вселенной.

Ссылки

1. Alan C. Holt, Prospects for a Breakthrough in Field Dependent Propulsion // AIAA/SAE/ASME 16^th joint propulsion conference, Hartford, USA 1980, http://www.ovaltech.ca/pdfss/Prospects_for_a_Breakthrough_in_Field_Dependent_Propulsion.pdf

2. Takaaki Musha, Yoshinari Minami, Field Propulsion System for Space Travel: Physics of Non-conventional Propulsion Methods for Interstellar Travel, Bentham Science Publishers, 2011.

3. Э.Р. Смольяков, Теоретическое обоснование межзвездных полетов, М: Эдиториал УРСС, 2005, http://mulder.ucoz.ru/_ld/0/13_SUM-1-3B.pdf

4. Е.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теория поля, М: Физматгиз, 1960.

Electromagnets & Motors — Институт чистой энергии

Электромагниты и двигатели

Средняя школа средней школы Средняя школа. Расширенные энергетические материалы Причина и эффект PS2B: Типы взаимодействий PS3A: определения энергетического планирования и проведения исследований

от Alan ZAHN

Обзор: ОБСЛУЖИЕ.

В этом уроке рассказывается, как сделать простые электромагниты и двигатель, который питается от солнечной батареи.

Основной вопрос:

Как можно использовать электричество для создания магнетизма?

Предыстория:

Магнит — это объект, создающий магнитное поле. Мы уже знакомы с некоторыми типами магнитных полей, такими как магнитное поле Земли, которое компас использует для указания севера, или магниты холодильника, которые используют магнитные поля для прилипания. Магниты используются не только в качестве интересных игрушек и приклеивания предметов к металлу, и одно из наиболее распространенных применений магнитов в промышленности — это электродвигатели. В электродвигателях магнит используется для создания вращения с помощью электрического тока, проходящего через проволочные петли.

Многие из наиболее знакомых нам магнитов считаются постоянными магнитами. К ним относятся обычные магниты, такие как магниты на холодильник, подковообразные и стержневые магниты, а также редкоземельные магниты. Магнитное поле этих магнитов обусловлено ориентацией электронов в магните, которая обычно не меняется.

Еще одна категория магнитов, которую мы сегодня рассмотрим, — это электромагниты. Электромагнит представляет собой материал, который обычно не магнитится, но при прохождении через него электрического тока становится магнитом. Типичным примером электромагнита является витая петля из изолированного провода, намотанная как пружина. В электромагните сила магнитного поля зависит в первую очередь от силы тока, проходящего через провод, количества витков, которые проволока делает на заданном расстоянии, и материала, вокруг которого намотана проволока. Эти магниты используются во многих приложениях, включая наушники и динамики, двигатели и научные исследования.

Теперь, когда мы знаем, как сделать электромагнит из изолированного провода, нам нужно обеспечить источник электрического тока. Для этого эксперимента мы будем использовать солнечную панель. Солнечные панели сделаны из материалов, которые превращают энергию солнца в виде света в электричество, которое мы можем использовать.

Перед выполнением любого из этих экспериментов помните, что через катушку проходит электричество. Хотя это недостаточно высокое напряжение для электрификации, когда солнечная батарея подключена к магниту, проводка может нагреться и вызвать ожоги. Всегда будьте осторожны при обращении с электрической цепью, даже если она не является высоковольтной или сильноточной.

Research Connection:

Исследователи используют нанотехнологии для создания новых магнитных материалов и устройств.

Стандарты NGSS:

Номер стандарта	Стандартный текст
МС-ПС2-3	Задайте вопросы о данных, чтобы определить факторы, влияющие на силу электрических и магнитных сил.
МС-ПС2-5	Проведите исследование и оцените план эксперимента, чтобы получить доказательства существования полей между объектами, воздействующими друг на друга, даже если объекты не соприкасаются.
HS-PS2-5	Спланируйте и проведите расследование, чтобы предоставить доказательства того, что электрический ток может создавать магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток.

Материалы:

Солнечная панель на 1 А
Винт или болт из оцинкованной стали (не нержавеющей!) длиной не менее 2 дюймов

Изолированный магнитный провод (калибр 22-26)
Наждачная бумага средней зернистости
Магнитные или железные пломбы для испытаний
Ножницы или кусачки

Процедура:

Стержневой электромагнит:

Первый электромагнит, который мы сделаем, это стержневой магнит.

Шаги:

Электромагнит, притягивающий железные наполнители

Отшлифуйте примерно полдюйма изоляции на одном конце провода наждачной бумагой.
Начните оборачивать провод вокруг винта или болта как можно аккуратнее и только в одном направлении, оставляя около 4 дюймов свободного провода. Одного раза должно хватить.
Закончив обматывать болт, отрежьте конец, оставив около 4 дюймов свободной проволоки.
Отшлифуйте примерно полдюйма изоляции на другом конце намотанной проволоки.
Прикрепите оголенные медные концы к солнечной панели.

Теперь вы можете использовать железные пломбы или компас, чтобы играть с вашим новым электромагнитом!

Электродвигатель постоянного тока

Теперь, когда мы можем сделать простой электромагнит, мы можем сделать еще один, который выглядит немного иначе, и использовать его для изготовления электродвигателя! Нам понадобится

Солнечная панель 1 А
Неодимовый магнит
Две скрепки
Наждачная бумага средней зернистости
Лента
Изолированный магнитопровод (калибр 22-26)
Круглый цилиндрический предмет размером с батарейку типа D
Непроводящий предмет диаметром или шириной 2 дюйма (пластиковая чашка, крышка и т. д.)
Ножницы или кусачки
Изолента (дополнительно)
Омметр (дополнительно, для поиска неисправностей)

Шаги:

Сначала мы наматываем изолированный магнитный провод вокруг цилиндрического объекта, оставляя 3 дюйма размотанными и свободными. Сделайте 15-20 витков провода вокруг батареи и обрежьте провод, снова оставив около 3 дюймов размотанными и свободными.
Оберните часть свободного провода вокруг катушки, удерживая катушку как можно плотнее. Напротив, сделайте то же самое, оставив около 2,5 см свободного места. Теперь у нас есть магнитная катушка!
Отшлифуйте всю изоляцию на одном конце и ПОЛОВИНА изоляции на другом конце катушки магнита.

Показана готовая основа (пластиковая крышка) мотора. Две скрепки приклеены к противоположным сторонам основания, а медный провод обернут вокруг них для создания электрического соединения. На концах проводов, подсоединенных к канцелярским скрепкам, с одной стороны снята изоляция.

Так как я использовал металлическую основу, скрепки приклеены не непосредственно к основе, а на ленту, обернутую вокруг нее.

Убедитесь, что катушка магнита имеет аккуратную круглую форму, а два плеча максимально прямые и находятся на противоположных сторонах. Это обеспечит хорошее вращение катушки магнита.
Разверните две скрепки в форме буквы P
Прикрепите две скрепки к противоположным концам цилиндрического предмета диаметром 2 дюйма. Это будет платформа.
Отрежьте два 4-6-дюймовых отрезка провода магнита и отшлифуйте примерно полдюйма изоляции с одной стороны провода на обоих концах каждого провода.
Выполните электрические соединения обеих скрепок с помощью двух проводов. Вы можете сделать это, просто обернув оголенный медный провод вокруг скрепки или прикрепив оголенный медный провод к скрепке изолентой.
Поместите неодимовый магнит в центр основания диаметром 2 дюйма. Отрегулируйте скрепки так, чтобы катушка магнита находилась чуть выше, но не касалась неодимового магнита.
Подсоедините другие концы проводов к выводам солнечной панели.
Завершенный двигатель с катушкой магнита, расположенной прямо над неодимовым магнитом.

Поместите магнитную катушку в скрепки и слегка дерните ее, и катушка должна начать вращаться сама по себе. Скрепки и катушка могут нуждаться в некоторой регулировке. Старайтесь, чтобы выводы магнитного провода были как можно более прямыми, а две скрепки — как можно более ровными.

Поиск и устранение неисправностей:

Если двигатель не работает, а скрепки правильно выровнены, а магнитная катушка выполнена правильно, электрическое соединение между скрепками, магнитной катушкой и проводами может быть плохим.
В этом случае для проверки соединения можно использовать омметр. Соберите двигатель на платформе, показанной ниже (неодимовый магнит не является обязательным, он не проводит электричество в этом двигателе), убедившись, что свободные концы катушки магнита касаются проводящими сторонами скрепки:

С помощью наконечников омметра проверьте два свободных конца провода, подсоединенных к скрепке, по одному наконечнику на каждом из концов.
Если все в порядке, измеренное сопротивление должно быть около 1 Ом. Если сопротивление намного выше или не регистрируется, имеется короткое замыкание. В этом случае протестируйте каждую часть вашей схемы одну за другой.
Начните с соединения одного из свободных концов провода со скрепкой, а затем, удерживая один из щупов на этом свободном конце провода, перемещайте другой щуп по цепи. Проверьте провод к ближнему концу катушки магнита, провод к дальнему концу катушки, провод к дальней скрепке и, наконец, провод к другому свободному проводу. Если в какой-то момент омметр не может измерить сопротивление, происходит короткое замыкание и ток не течет. Поэкспериментируйте с соединением, и если это не сработает, убедитесь, что все концы проводов должным образом отшлифованы.

Как это работает:

Электричество поступает в скрепку, а затем в оголенную сторону медной катушки. Как только ток течет, он индуцирует магнитное поле в катушке. Одна сторона этого поля отталкивается магнитом, а другая притягивается. Катушка слегка вращается до точки, где изолированная сторона провода касается скрепки, и ток перестает течь. У него достаточно импульса, чтобы продолжить вращение до исходного положения, где он снова получает питание. При каждом вращении возникает импульс электричества, поддерживающий его вращение.

Расширения:

Попробуйте сделать двигатель постоянного тока с подходящими коммутаторами

Ресурсы:

Урок электромагнита на солнечной энергии
https://youtu.be/x2R87IfwigQ

Дополнительные уроки чистой энергии

Двигательный эффект: научный проект по магнетизму и электричеству

Это простое устройство показывает, что когда электрический ток течет через магнитное поле, на ток действует сила. Эту силу можно использовать для создания электродвигателя.

Subject:

Engineering & Technology

Real-World Problems & Solutions

Physics

Electricity & Magnetism

Mechanics

Keywords:

electromagnet

exhibit-based

NGSS and EP&Cs:

PS2

PS3

CCC

Причина и следствие

Энергия и материя

Видеодемонстрация

Инструменты и материалы

От двух до четырех небольших дисковых магнитов
Одна или две 1,5-вольтовые батарейки для фонарика.
От двух до трех футов (от 60 см до 1 метра) гибкого провода, такого как одножильный или многожильный соединительный провод или магнитный провод.
Изоляционная лента
Наждачная бумага
Стол
Партнер

Сборка

Снимите изоляцию с концов провода. (Используйте нож для многожильного провода или используйте наждачную бумагу, чтобы удалить почти невидимую изоляционную эмаль с магнитного провода.)
Приклейте батарейку (или две) к краю стола. Если вы используете две батареи, закрепите их лентой так, чтобы они были расположены последовательно, при этом положительный вывод одной батареи касался отрицательного вывода другого аккумулятора.
Рядом с клеммой каждой батареи приклейте концы провода к столу. Позвольте оставшейся части проволоки свисать над краем стола в виде петли.
Сгруппируйте дисковые магниты в одну цилиндрическую кучу.

Действия и уведомления

Попросите одного человека у края стола держать сгруппированные магниты рядом с нижней частью петли из проволоки.

На столе попросите другого человека прикоснуться одним концом провода к положительной стороне батареи (или батарей) и одновременно прикоснуться другим концом провода к отрицательной стороне. (См. фотографии вверху.) Проволочная петля будет прыгать в том или ином направлении.

Если вы измените направление тока, провод перескочит в противоположном направлении. Чтобы изменить направление тока, подключите провод, который был подключен к положительному концу батареи, к отрицательному концу и наоборот.

Посмотрите, что еще произойдет, если вы измените ориентацию магнитов или подержите их в другом месте рядом с проводом.

Что происходит?

Магнитное поле дисковых магнитов воздействует на электрический ток, протекающий по проводу. Провод будет двигаться вверх или вниз, вперед или назад, в зависимости от направления тока и направления магнитного поля дисков.

Чтобы предсказать направление движения, вы можете использовать математический инструмент, называемый правилом правой руки . Поместите правую руку рядом с отрезком провода, который проходит между магнитами диска. Сделайте ладонь ровной, большой палец должен быть отведен в сторону — большой палец должен быть под прямым углом к остальным. Поместите руку так, чтобы большой палец указывал вдоль провода в направлении прохождения электрического тока (ток течет от положительного вывода батареи к отрицательному полюсу), а пальцы указывали от северного полюса дисковых магнитов к их южный полюс. (Вы можете найти северный полюс магнитов с помощью компаса; южный конец компаса будет указывать на северный полюс магнита.) Затем ваша ладонь будет естественным образом «толкать» в направлении магнитной силы, действующей на провод. .

Отклоняющая сила, которую магнит оказывает на провод с током, является механизмом работы большинства электродвигателей. Любопытно (и к счастью для нашего чувства симметрии!), обратный эффект также верен: переместите петлю провода через полюс магнита, и по проводу начнет течь ток. Это, конечно, принцип электрического генератора. Электрический ток, который вы генерируете, перемещая эту единственную петлю провода через слабое магнитное поле дисковых магнитов, слишком слаб, чтобы его можно было обнаружить любыми микроамперметрами, кроме самых чувствительных.

Дальше

Этот эксперимент создает лишь короткий импульс движения. Мотор требует непрерывного движения. Эта проблема была первоначально решена в начале 1800-х годов изобретением коммутаторов. Коммутатор представляет собой скользящий контакт, который не только создает электрический контакт с вращающейся проволочной петлей, но и позволяет изменять направление тока на противоположное каждые полпериода вращения.

Первые электродвигатели были сконструированы в 1821 году Майклом Фарадеем в Англии и усовершенствованы в 1831 году Джозефом Генри в Соединенных Штатах.

Сопутствующие закуски

Мотор в разобранном виде

Сделать простой мини-мотор.