УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРИ ВРАЩЕНИИ ИССЛЕДУЕМЫХ РАСТРВОРОВ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF OPPORTUNITY OF EXCITATION OF ELECTRIC POWER DURING ROTATION OF TESTED SOLUTIONS OF VARIOUS SUBSTANCES

2
4
3
4
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для исследования процессов возбуждения э.д.с. при вращении растворов различных веществ, например, кислот (HSO, НРО и других).
+
-
-
4
4
Известен эффект намагничивания растворов кислот, помещенных во вращающийся диэлектрический, например, стеклянный полый диск [1, 2], объясняемый разделением диссоциируемых анионов водорода Н и катионов кислотного остатка SO (или РО) с существенно отличающимися массами - в 80 (или 79) раз. Это разделение анионов и катионов под действием центростремительных сил, обусловленных вращением раствора, приводит к вытеснению на периферию диска отрицательных катионов, а положительные анионы группируются вблизи центра (оси вращения) диска. Как известно, вращение заряда вызывает намагничивание. При этом вектор магнитного поля от вращения катионов направлен по правилу правой руки, а вектор магнитного поля от вращения анионов направлен противоположно - по правилу левой руки. Напряженности соответствующих магнитных полей определяются концентрацией χ(r) заряда и линейной скоростью его движения v=ω r, где 0≤r≤R - радиус диска. Этот эффект использован в заявляемом техническом решении, не имеющим аналогов (прототипа).
Целью изобретения является возбуждение э.д.с. между метеллическими осью вращения и периферийным кольцом диэлектрического полого диска, заполненного исследуемым раствором, при вращении диска.
Другой целью изобретения является повышение э.д.с. при помещении периферийной части вращающегося диска с исследуемым раствором в поперечное к плоскости диска постоянное магнитное поле.
Указанные цели достигаются в устройстве для исследования возможности возбуждения электродвижущей силы при вращении исследуемых растворов веществ, включающее вращающийся от двигателя диэлектрический полый диск с раствором исследуемого вещества с осью вращения и периферийным кольцом диска, выполнеными из металла, не взаимодействующего химически с данным раствором, периферийная часть вращающегося диска с исследуемым раствором помещена в постоянное магнитное поле постоянного магнита со стальными магнитопроводами, а индуцируемая электродвижущая сила снимается скользящими контактами, соединяемыми с осью вращения и периферийным кольцом диска и подключенными к измерительному вольтметру.
2
4
3
4
Достижение указанных целей объясняется эффектом пространственного разделения зарядов - анионов и катионов раствора исследуемого вещества, например, кислоты (HSO, НРО и др.), при их вращении под действием центростремительных сил и с учетом значительного различия в массах этих составляющих диссоциированного раствора, и это разделение усиливается действием постоянного магнитного поля у периферийной части вращающегося диска с исследуемым раствором, вектор которого ортогонален плоскости диска (то есть направлению движения катионов раствора), и согласно правилу левой руки катионы испытывают силовое давление в направлении к периферии диска.
Устройство представлено на рис. 1, величина э.д.с. условно указана на рис. 2.
Заявляемое устройство содержит следующие элементы (рис. 1):
1 - диэлектрический (магнитопрозрачный) полый диск с осью вращения,
2 - исследуемый раствор жидкости, заполняющий полый диск 1,
3 - периферийный кольцевой электрод диска 1 из металла, не взаимодействующего с раствором исследуемого вещества (как и металлическая ось вращения диска),
4 - скользящий контакт кольцевого электрода 3 с радиусом R,
5 - двигатель внутреннего сгорания или какой-либо иной двигатель с регулируемой скоростью вращения ω его оси, связанной с осью вращения диска 1.
6 - скользящий контакт оси вращения диска 1,
7 - постоянный магнит, например, неодимовый,
8 и 9 - части магнитопровода магнита 7 из стали, образующие магнитное поле в магнитном зазоре с магнитной индукцией В,
10 - аккумуляторная батарея (напряжение на ней контролируется вольтметром V).
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.
С точки зрения электронной теории высокая электрическая проводимость в металлах (электропроводимость металлов) объясняется наличием огромного числа носителей тока - электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. Друде предложил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа.
При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Важно отметить, что тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока. Под действием внешнего электрического поля в металлическом проводнике возникает упорядоченное движение электронов, т.е. возникает электрический ток как следствие действия электростатических сил на свободные электроны металла (закон Кулона).
Средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения при обычных температурах. Небольшое значение средней скорости объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами кристаллической решетки.
28
3
Как известно, концентрация свободных электронов в металлах различна, но достаточно велика. Наибольшая концентрация отмечена у меди и составляет ρ=8,49⋅10 1/м. Но не все они принимают участие в формировании электрического тока, а лишь некоторая их часть η, величину которой следует определить применительно к рассматриваемому устройству, ток в котором возникает в ранее неизвестном физическом механизме.
2
2
H
4
SO4
Вращение любой механической системы вызывает действие центростремительных сил F=m ω r, где m - масса тела, ω - угловая скорость вращения тела и r - радиус вращения тела. В качестве тел в данной работе выступают анионы водорода с атомной массой m=1 и катионы кислотного остатка, например, SO для серной кислоты с атомной массой m=80. Поскольку различие атомных масс катионов и анионов слишком велико, то вращение раствора приводит к расположению более тяжелых катионов на периферии вращающегося диска 1 за счет вытеснения ими более легких анионов к оси вращения диска. Это приводит к рассредоточению зарядов в пространстве диэлектрического диска 1 - на оси вращения сосредоточивается положительный заряд, а на кольцевом электроде 3 - отрицательный, то есть возникает разность потенциалов - э.д.с. между металлическими электродами - осью вращения диска и кольцевым электродом. Под действием этой э.д.с. в замкнутой цепи возникает ток J, например, заряжающий аккумуляторную батарею 10.
В частности, вращение отрицательных зарядов на большом радиусе r ≈ R приводит к намагничиванию раствора с максимумом намагничивания на периферии вращающегося диска 1. Намагничивание снижается с уменьшением радиуса r в пределе до нуля, где концентрации анионов и катионов становятся одинаковыми. При дальнейшем уменьшении радиуа r намагничивание меняет знак, но является достаточно малой величины, которой, в первом приближении, можно пренебречь.
л
Увеличение концентрации катионов вблизи кольцевого электрода 3 в заявляемом техническом решении достигается действием на периферийную часть диска 1 постоянного магнитного поля с магнитной индукцией В, как это видно на рис. 1. При указанном направлении вращения диска 1 и указанной полярности магнитного поля на катионы действует сила Лоренца F=В L J, где L - длина магнитного зазора по ходу вращения диска 1, а полный ток J определяется двукратным интегралом вида:
2
1
2
где r - r - размер магнитного зазора по высоте (r ≈ R), h - размер магнитного зазора по его ширине (толщина внутренней полости диска 1 вдоль оси У, коллинеарной оси его вращения), χ(r) - концентрация заряда катионов в функции от радиуса их расположения. Второй интеграл определяет величину отрицательного заряда в объеме магнитного зазора, движущегося с линейной скоростью v(r)=ω r, разной для разных слоев радиуса r.
л
2
Полная сила Лоренца F дополнительно выдавливает катионы к периферии диска 1 по правилу левой руки, увеличивая их концентрацию χ(r), что дополнительно увеличивает возникающую э.д.с. между осью вращения диска 1 и его кольцевым электродом 3, следовательно, и ток J заряда аккумуляторной батареи 10.
л
Растворы кислот, как известно, обладают высокой проводимостью для тока электронов - свободных электронов металла, из которого изготовлен кольцевой электрод 3, находящийся в полости этого диска и контактирующий с исследуемым раствором, например, раствором серной кислоты. Движение электронов тока J в растворе по радиусам от кольцевого электрода 3 к оси вращения также вызывает силу Лоренца по правилу левой руки, вектор которой совпадает с вектором вращения диска 1 от двигателя 5, что снижает нагрузку на этот двигатель по мере увеличения скорости вращения его оси. Так как концентрация катионов у кольцевого электрода 3 растет с ростом центростремительной силы F и силы Лоренца F, то график зависимости индуцируемой э.д.с. от угловой скорости вращения диска 1 (рис. 2) представляет нелинейную, квазиквадратичную функцию.
Заявляемое техническое решение представляет интерес для измерительной техники и научного эксперимента.
Литература
1. О.Ф. Меньших, Устройство для исследования эффекта намагничивания растворов при их вращении, Патент РФ №2614852, опубл. в №10 от 29.03.2017;
2. О.Ф. Меньших, Намагничивание растворов при их вращении, Internet, Allbest.ru, База знаний, 05.05.2014.