Научное открытие - электродинамическая индукция
Дюдкин Дмитрий Александрович, профессор, д.т.н.,
Лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники.
Для
современного уровня познания физики возникновения электрических токов является
аксиомой невозможность обеспечения кулоновским электрическим полем (поле,
создаваемое электрическими зарядами, электростатическое поле) устойчивого
электрического тока в проводнике. Перенос носителей в цепи постоянного тока
возможен лишь с помощью сил не электростатического происхождения. Это, так
называемые, сторонние силы. Природа сторонних сил может быть самой
разнообразной. Например, в движущемся проводнике это сила Лоренца, действующая
со стороны магнитного поля на электроны, в генераторах электричества сторонняя
сила имеет магнитную природу; в гальваническом элементе типа элемента Вольта
действуют химические силы. В электромагнитной теории сторонние силы определены
следующим положением: "Любые силы, действующие на электрически заряженные
частицы, за исключением потенциальных сил электростатического происхождения,
т.е. кулоновских, называют сторонними силами" [1,2].
Отметим,
что сила Лоренца в электромагнитной индукции, сама по себе не может обеспечить
постоянного тока в проводнике – для возникновения тока необходимо относительное
перемещение магнитного поля и проводника.
Вопреки
существующему положению покажем, что при относительном перемещении кулоновского
(электростатического) поля и проводника в системе также имеет место перемещение
носителей зарядов.
Исследования
по изучению взаимодействия зарядов проводника и кулоновского поля при их
относительном перемещении [3], проводились на разработанных и изготовленных, не
имеющих аналогов, экспериментальных моделях с использованием проводников
различной формы (сферические, плоские и др.), с электронной и ионной
проводимостью. Установки были снабжены или неоновой лампочкой, загорание
которой служило индикатором наличия тока, или использовались стандартные
приборы (электрометр, гальванометр), которые фиксировали наличие тока, его
величину и направление.
В
данном изложении приводится описание одного из экспериментов, наиболее просто
демонстрирующем суть полученных результатов. Известно, что если токопроводящий
шар внести в потенциальное электростатическое поле, то в нем произойдет
перераспределение зарядов по закону электростатической индукции (рис. 1). В
наших экспериментах шару придали вращение, что ранее никем не рассматривалось.
Рис.
1. Экспериментальная модель возбуждения индукционного тока в токопроводящем
шаре
В
процессе вращения перераспределенные заряды, под действием внешнего поля будут
оставаться на стороне, обращенной к внешнему полю. В данном случае заряды
остаются на месте, а проводник, которому принадлежат эти заряды, движется. В
шаре возбуждается ток.
Для
демонстрации возбуждения в шаре тока поверхность шара, изготовленного из
диэлектрика, была обклеена полусферами из алюминиевой фольги с зазором 3 мм и
произведено их соединение через неоновую лампочку, которая являлась индикатором
тока.
При
вращении шара лампочка горит!
Нетрудно
представить, что при вращении источника кулоновского поля вокруг проводника
(шара) лампочка также будет гореть. В этом случае источник внешнего поля
"тянет" за собой свободные заряды проводника.
Для
определения количественных характеристик индукционного тока в проводнике
изготовили подобную установку, в которой индуцированные кулоновским полем
заряды перемещались по замкнутому контуру через гальванометр [4]. При этом
изменяли скорость вращения шара и напряженность электростатического поля.
Результаты экспериментов показали, что величина возникающего электрического
тока прямо пропорциональна частоте вращения проводника и растет с увеличением
напряженности кулоновского поля. Этим свойствам удовлетворяет , т.е.
скорость изменения потока вектора ,
пронизывающего поверхность проводника (фиксированного сегмента). При этом
, (1)
где
Sc – площадь поверхности сегмента;
a
– угол между направлением вектора и нормалью к
рассматриваемой
поверхности.
Действительно:
, (2)
где
En = E× cosa .
При
стационарном кулоновском поле , (3)
поэтому
. (4)
Это
выражение доказывает характерность выделенных свойств для величины N и
справедливо для произвольного проводника, который движется во внешнем
кулоновском поле. Если проводник сферический и вращается с постоянной частотой,
то из (4) следует:
(5)
Здесь:
w – частота вращения сегмента (проводника);
R
– радиус сферы;
– единичный
вектор угловой скорости вращения;
– единичный
радиус-вектор точек поверхности сферы.
Градиент
величины Е, т.е. , возрастает,
как известно, при увеличении Е. Итак:
Э.Д.С.
~ I ~ . (6)
Из
выражения (5) следует, что Э.Д.С., I и увеличиваются
при росте – модуля
скорости относительного перемещения проводника и источника кулоновского поля.
С
учетом всех проведенных экспериментальных исследований сформулировано основное
положение: "Электродвижущая сила, возникающая в контуре, прямо
пропорциональна скорости изменения потока напряженности электростатического
поля через любую поверхность, опирающуюся на данный контур. При возбуждении
тока существенно лишь относительное перемещение проводника и электрического
поля кулоновской природы".
В
октябре 2000 г. Международной Ассоциацией авторов научных открытий (г. Москва)
на основании результатов экспертизы заявки на открытие выдан диплом № 149 на
открытие "Явление возбуждения электрического тока в проводнике, движущемся
в электростатическом поле". Авторы научного открытия Дюдкин Д.А. и Комаров
А.А. [5].
Таким
образом, в настоящее время можно считать твердо установленным, что
электрический ток в проводниках может возникать не только под действием
магнитного поля, но и под действием сил электрического поля кулоновской
природы, при условии относительного перемещения поля и проводника.
При
этом возбуждение тока в проводнике происходит вследствие электрического
взаимодействия свободных зарядов проводника и источника кулоновского поля в
динамике их относительного перемещения без участия магнитной составляющей.
Здесь направление возникающего тока в системе отсчета, тесно связанной с
проводником, совпадает с направлением движения источника кулоновского тока.
Соотношение
(6) по форме аналогично уравнению для э.д.с. электромагнитной индукции,
возникающей при ненулевом значении , где Ф –
магнитный поток, пронизывающий поверхность, опирающуюся на контур проводника
Ф
=dS, где В –
индукция магнитного поля.
Однако,
рассматриваемое явление по своей природе (механизм и правило определения
направления тока) отлично от электромагнитной индукции, а подобие о
необходимости относительного перемещения поля и проводника подтверждает, что
экспериментально обнаруженное новое явление не противоречит, а углубляет и
расширяет познание фундаментальных законов электродинамики, раскрывает ранее
неизвестные объективно существующие закономерности, вносит коренные изменения в
уровень познания законов природы.
С
нашей точки зрения, этот новый вид индукции тока в проводнике, имеющей
электродинамическую природу, в отличие от индукции электромагнитной,
целесообразно классифицировать как индукцию электродинамическую.
Открытие
принципиальным образом изменяет ранее известные представления в теории
электричества об индукции токов. Исходя из проведенных экспериментальных и
теоретических исследований можно констатировать, что индукционный ток (в
определенных случаях – это ток проводимости) может возникать и без наличия
замкнутой цепи, и без наличия привычных источников тока (гальванических
элементов, аккумуляторов и т.п.). В представленных экспериментах, как было
показано, для возникновения индукционного тока существенно лишь относительное
перемещение источника электрического поля и проводника.
На
созданной научной основе целесообразно провести теоретическую проработку нового
раздела теории электричества, рассматривающего закономерности
электродинамической индукции.
В
ходе проведения исследований были обнаружены и другие, ранее не известные,
закономерности.
Экспериментальным
моделированием было выявлено инверсионное взаимодействие заряженных тел. Тела,
заряженные одноименным зарядом могут не только отталкиваться, но и
притягиваться.
Было
также обнаружено, что при определенных условиях, в результате относительного
перемещения двух несоприкасающихся проводников, имеющих нескомпенсированные
заряды, также возникает индукционный ток.
Научные
результаты имеют и прикладное значение. Например, разработаны новые способы
электрофизического воздействия на движущийся металлический расплав. Открываются
новые возможности создания генераторов электрического тока на основе
электродинамической индукции. В природе такой генератор существует –
электропроводная Земля вращается в мощном электростатическом поле ионосферы.
Список литературы
Буховцев
Б.Б., Климантович Ю.А., Мякишев Г.Л. Физика. – М.: Просвещение, 1976. – 165 с.
Яворский
Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. – М.: Наука, 1989. – 576
с.
Дюдкин
Д.А., Комаров А.А. Электродинамическая индукция. Новая концепция геомагнетизма
// Препринт НАНУ, ДонФТИ-01-01, 2001. – 70 с.
Дюдкин
Д.А., Чиликин А.И. Возбуждение тока в системе проводник – электрическое поле //
Актуальные проблемы фундаментальных наук: Материалы междун. науч.-техн. конф. –
М.: МГТУ, 1991. Т. 3. С. 131 – 134.
Научные
открытия (Сб. кратких описаний, 2000 г.) // Межд. академия авторов научных
открытий и изобретений. Москва. 2001.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.sciteclibrary.ru/