Электрогенераторы на постоянных магнитах

Ряд магнитных электрогенераторов (МЭГ) были уже описаны в /2/: генераторы Серла, Рощина-Година, Флойда. Все они не только выдавали избыточную энергию, но и работали автономно. Есть возможность познакомиться с магнитным генератором Бердена, выполненным внешне в виде трансформатора. Описание патента с переводом смысловой части дано ниже /17/.

Недавний прогресс в магнитных материалах, которые особенно описаны в книге R.C. O'Handley (Современные магнитные материалы. Принципы и применения. – Нью-Йорк, изд. J.Wiley и сыновья, с.456-468), обеспечивает получение нанокристаллических магнитных сплавов, которые хорошо подходят для режимов работы с быстрым переключением магнитного потока. Эти сплавы составлены из кристалликов, каждый из которых имеет по крайней мере хотя бы одно измерение в несколько нанометров. Нанокристаллические материалы могут быть созданы на основе спекаемых аморфных сплавов, в которые добавляют такие нерастворимые элементы, как медь для увеличения массы зерен, и – стойкие тугоплавкие материалы такие, как ниобий и карбид тантала чтобы ограничить рост зерен. Основной объем сплавов занимают беспорядочно распределенные кристаллики размером около 2 нанометров. Эти кристаллики вырастают из аморфной фазы с нерастворимыми элементами, нетронутыми в течение процесса кристаллизации. Каждый кристаллик (зерно, порошинка) является однодоменной структурой. Оставшийся объем нанокристаллического сплава состоит из аморфной фазы в форме границ зерна, имеющих толщину около 1 нанометра.

Магнитные материалы, имеющие особенно полезные свойства сформированы из аморфного сплава Со-Nb-В (кобальт-ниобий-бор), имеющего почти нулевую магнитострикцию, относительно сильное намагничивание, механическую прочность и стойкость к коррозии. В процессе отжига материалов может быть изменен размер зерен и повышена коэрцитивная сила. Осаждение нанокристалликов также улучшает характеристики работы аморфных сплавов на переменных режимах.

Другие магнитные материалы, сформированные на основе богатых железом аморфных и нанокристаллических сплавов, показывают более сильное намагничивание, чем сплавы на основе кобальта, например, сплав Fe-B-Si-Nb-Cu (железо-бор-кремнии-ниобий-медь). В то время как проводимость богатых железом аморфных сплавов ограничена относительно высоким уровнем магнитострикции формирование нанокристаллического материала из такого аморфного сплава уменьшает уровень магнитострикции, облегчая намагничивание.

Прогресс был достигнут также в создании постоянных магнитов, особенно – из редкоземельных металлов. Такие материалы, включающие SmCo₅, имеют наиболее высокое сопротивление размагничиванию из известных. Другие материалы сделаны, например, с использованием комбинации железа, неодима и бора.

Ярмо трансформатора – генератора выполнено из постояннго магнитного материала в виде ярма для трехфазного трансформатора. На крайние сердечники намотаны силовые катушки (обмотки). Из среднего сердечника постоянный магнитный поток разветвляется влево и вправо по магнитопроводам ярма, включая крайние сердечники, и замыкается снова на средний. Слева и справа от среднего сердечника на магнитопроводы намотаны катушки управления. Переключая их поочередно создают магнитный противоток основному потоку, ударную магнитную волну с частотой 87,5 кГц, которая взаимодействует с электринным газом окружающей среды и обеспечивает их переток в силовые обмотки, то есть подкачку энергии извне. Генератор работает автономно. К серийному выпуску по заявлению Бердена подготовлен генератор мощностью 2,5 кВт.

Реализуя изложенные выше принципы генерации мощного магнитного потока с помощью звуковых и ударных волн в нем, можно построить промышленные магнитные электрогенераторы и двигатели, работающие автономно (без привода и электропитания).

5. Физический механизм создания
звуковых и ударных волн

Традиционная физика никак не объясняет возникновение звуковых волн и их разгон от малой скорости движения источника звука до полной скорости звука, которая несоизмерима с первой, так как превышает ее на 2…3 порядка. Первым этот механизм попытался объяснить Д.Х. Базиев /10/. Ниже дано авторское представление об указанном механизме с учетом анализа /10/.

При взаимодействии ударных осцилляторов источника колебаний с осцилляторами среды происходит деформация их глобул. Из сферических (при равномерном со всех сторон взаимодействии с соседями) они становятся выпукло-вогнутыми телами вращения, похожими, например, на каплю жидкости деформированную гравитацией. Такая глобула (среда) имеет вогнутую поверхность (лунку) со стороны силового воздействия соседней молекулы – осциллятора и – выпуклую поверхность – с другой. За счет большей скорости, полученной из-за искусственного насильственного сокращения критического расстояния, молекула – мишень, например газа, в глобуле развивает давление больше, чем в невозмущенном состоянии. Размер глобул уменьшается при сжатии их ударными молекулами – снарядами, что приводит к уплотнению среды в ударной звуковой волне.

На фронте волны деформированные глобулы молекул среды образуют совокупность (цепочки) как бы вставленных друг в друга тел, выпуклости которых входят в вогнутости впереди стоящих (по ходу волны).

Скорость молекул в глобулах начинает увеличиваться сначала в первом ряду, граничащем со стенкой источника колебаний, молекулы – снаряды которой взаимодействуют с молекулами – мишенями этого, первого, ряда. Затем таким же образом молекулы первого ряда, становясь снарядами, действуют на молекулы – мишени второго ряда и т.д. Возникает ударная звуковая волна, которая движется в сторону, определенную действием источника звука – малых возмущений.

Важно, что молекулы в своих глобулах только передают это возмущение в среде, но сами глобулы остаются как бы неподвижными. Задние активированные молекулы подталкивают (электродинамически) передние неактивированные и далее по цепочке вперед. Отдав свою энергию, задние молекулы остаются в среде в своей глобуле, которая не бежит за волной, а остается в неподвижной части газа.

На фронте волны давление повышенное, за волной – разрежение обусловленное взаимодействием компактного уплотнения деформированных глобул молекул на фронте волны с молекулами неподвижной части среды позади волны, которые не успевают возвратиться мгновенно. Это приводит в ряде случаев к разрыву сплошности среды. В эту зону пониженного давления подтягиваются глобулы с молекулами из неподвижной части окружающей среды, включая дезактивированные, в то время как само возмущение (волна) уходит вперед. Волна уходит в заданном источником звука направлении, а глобулы практически остаются на месте. В то же время молекулы в них движутся с повышенной скоростью и взаимодействуют с соседями с большими силами и ускорениями, практически в вакууме.

Отсутствие сопротивления способствует прохождению волны на большие расстояния. Расширение фронта волны способствует ее затуханию.

Итак, звуковая волна как возмущение (изменение давления, температуры и плотности среды) идет в заданном источником звука направлении за счет ударного действия задних активированных молекул по передним. Причем глобулы, внутри которых движутся и те и другие молекулы, остаются на своих местах, но испытывают деформации.

Значение разрежения за звуковой волной зависит от первоначального значения давления невозмущенной среды. В зоне разрежения звуковой волны разрыв сплошности среды (жидкости) идет с образованием полости – каверны. Кавитация при этом имеет локальный характер, как правило, в пучностях стоячих, например, ультразвуковых волн, и, как видно, ограничена первоначальным давлением. Видимо, поэтому в ультразвуковых установках жидкость при кавитации не нагревается: слабы условия для разрушения молекул на атомы и свободные электроны. А к условиям относятся: разрежение, частота и амплитуда колебаний. В звуковой волне они не позволяют образовываться крупным кавитационным пузырькам, схлопывание которых приводило бы к высоким давлениям, температурам, разрушению молекул. А если нет разрушения, то нет и ФПВР как процесса энерговыделения. Кстати и смешивания, например, топлива и воды без их последующего расслоения в ультразвуковых ваннах тоже не происходит. Ультразвук никогда не даст ожидаемого эффекта нагревания и смешивания.

В то же время смешивание без расслоения происходит в устройствах с большой амплитудой и принудительным понижением давления всего объема среды. Энерговыделение происходит тоже при резком перепаде давления с большего на меньшее. Это вызвано тем, что активированные на фронте волны молекулы, попадая в зону разрежения лопаются под действием разности большого давления внутри них и малого давления вне их. Кроме того, этот перепад давления вызывает звуковую и ударную волны.

Таким требованиям отвечает цилиндр двс. В нем поршень производит снижение давления среды, звуковые волны, дающие возможность наряду с другими воздействиями (электрический разряд, температура, катализ...) разрушить молекулы кислорода и азота на атомы, фрагменты и свободные электроны, необходимые для возникновения процесса ФПВР как энерговыделения.

Именно поэтому, наверно, двигатели внутреннего сгорания первыми вышли на автотермический бестопливный режим работы.

5.1. Алгоритм и пример расчета
параметров звуковой волны

Исходные данные /10/:

R=5×10^-3 м – радиус цилиндрического стержня генератора звука;

n=6,5×10³ с^-1 – частота колебаний стержня;

А=8,64×10^-5 м – амплитуда колебаний стержня;

Р₀=1,03×10⁵ Па – давление воздуха;

Т₀=273 К (0⁰С) – температура воздуха;

с₀=331,8 м/с – измеренная в опыте скорость звука;

m_в=4,81×10^-26 кг – масса среднего осциллятора воздуха;

r_в=1,293 кг/м³ – плотность воздуха;

v₀=4,71×10⁴ м/с – линейная скорость осциллятора воздуха;

h=6,63×10^-34 – постоянная Планка;

ħ=4,11×10^-34 – постоянная Герца ħ=h/а;

– коэффициент сферичности глобулы;

k_в=1,38×10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана (для воздуха);

u₀=1,03 м/с – скорость блуждания глобулы воздуха;

f₀=5,8×10¹¹ с^-1 – частота колебаний осцилляторов воздуха.

Последовательность вычислений:

1. Полный путь кромки стержня за один цикл колебания

L=2А=2×8,64×10^-5=17,28×10^-5 м

2. Скорость (средняя) кромки стержня

v=L×n=17,28×10^-5×6,5×10³=1,12 м/с

3. Площадь торцевой поверхности стержня

S=pR²=p×(5×10^-3)²=7,85×10^-5 м²

4. Время набора скорости от нулевой до максимальной (среднее время прохождения пути А/2 со средней скоростью)

5. Объем одной глобулы

V_г=m_в/r_в=3,72×10^-26 м³

6. Диаметр глобулы, занимаемой осциллятором воздуха

d_г=(6V_г/p)^1/3=4,14×10^-9 м

7. Объем деформированного стержнем воздуха на участке разгона А/2

V₁=S × А/2=3,39×10^-9 м³

8. Число слоев глобул, смещенных стержнем

9. Число смещенных глобул

n_г=V₁/V_г=9,12×10¹⁶

10. Суммарное число глобул после смещения в объеме V₁ воздуха над стержнем (в уплотненном слое)

n_V1=2n_г

11. Объем одной глобулы в уплотненном слое

V_г1=V_г/2=1,86×10^-26 м³

12. Диаметр глобулы в уплотнении

d_г1=(6V_г1/p)^1/3=3,29×10^-9 м

13. Амплитуда колебания осциллятора в уплотненной глобуле

А₁»d_г1=3,29×10^-9 м

14. Линейная скорость всех осцилляторов в уплотнении

v₁=v₀+c₀=4,71×10⁴+331,8=4,74×10⁴ м/с

15. Частота колебания осцилляторов в уплотнении

f₁= v₁/2А₁=1,44×10¹³ с^-1

16. Температура газа в уплотнении

Т₁=x×f₁=4,7×10^-10×1,44×10¹³=6750 К

17. Энергия осциллятора в уплотнении (средняя)

ε₁=k_в×Т₁=h×f₁=6,63×10^-34×1,44×10¹³=9,54×10^-21 Дж

18. Давление газа в уплотнении (среднее)

19. Плотность воздуха в уплотнении (средняя)

ρ₁=2ρ_в=2,59 кг/м³

20. Скорость звука (звуковой волны)

Здесь:

σ₀ – отношение скоростного напора звуковой волны к давлению невозмущенного газа или – отношение энергии осциллятора в звуковой волне к энергии осциллятора в невозмущенном газе: σ₀ – энергетический коэффициент (фоновой системы).