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.