СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТОРОИДАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD TO CREATE TOROIDAL MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для научных исследований, в частности по взаимодействию тороидального магнитного поля с однополярными магнитными жидкостями.
Широко известно создание тороидальных магнитных полей в ускорителях заряженных частиц циклотронного типа, например в адронном коллайдере. Простейший способ создания тороидального магнитного поля основан на пропускании постоянного электрического тока в обмотке, выполненной на тороиде. Внутри такого тороида, представляющего собой кольцевую трубку, например стеклянную, образуется однородное по криволинейной координате (соосной окружностям в полости тороида) магнитное поле, которое имеет максимум напряженности на окружности, проходящей через центр сечения трубки тороида, что обусловлено механизмом давления друг на друга однонаправленных магнитных силовых линий - к центру сечения тороида это давление повышается и поверхностная плотность магнитных силовых линий увеличивается. К преимуществу такого (активного) способа создания тороидального магнитного поля относится возможность создания сильного магнитного поля путем повышения тока до предельных величин, ограниченных электропрочностью проводника указанной обмотки. В импульсных тороидальных магнитных полях плотность тока в обмотке может быть многократно увеличена, что позволяет получать сверхсильные тороидальные магнитные поля [1-2]. Тороидальные магнитные поля используют в магнитных ловушках и стеллараторах для удержания плазмы при решении задач создания управляемой термоядерной реакции [3-4], однако такие тороидальные поля имеют форму спиралей вокруг некоторой тороидальной полости, внутри которой находится удерживаемая плазма.
К недостатку известного способа следует отнести необходимость затраты электрической энергии для создания тороидальных магнитных полей. В тех случаях, когда не ставится задача создания сверхсильных магнитных полей, было бы целесообразно ограничиться использованием комбинации постоянных магнитов, не требующих затраты электрической энергии.
Целью изобретения является создание тороидального магнитного поля в свободном пространстве без использования электрической энергии.
Указанная цель достигается способом создания тороидального магнитного поля, заключающимся в том, что склеивают между собой две пары соосно установленных магнитотвердых ферромагнитных тороидов с прямоугольной формой сечения так, что в первой паре тороиды одинаковой толщины вставляют друг в друга с зазором между внешним диаметром первого тороида и внутренним диаметром второго тороида первой пары, а одинаковыми по габаритам тороидами второй пары перекрывают их плоскими гранями указанный зазор первой пары тороидов с обеих сторон этого зазора, образуя тороидальную полость между четверкой тороидов, причем на всех четырех тороидах предварительно наматывают катушки их намагничивания по правому или левому кругам в зависимости от направления тока намагничивания в них, катушку первого тороида первой пары тороидов соединяют с катушкой первого электромагнита, образующего радиально-кольцевое магнитное поле, в которое помещают первый тороид первой пары тороидов и производят его намагничивание постоянным током, насыщающим ферромагнетик первого тороида, аналогичные операции осуществляют со вторым тороидом первой пары тороидов, используя при этом второй электромагнит с другими габаритами кольцевого зазора, соответствующими габаритам второго тороида первой пары тороидов, а затем катушки намагничивания по правому или левому кругам первого и второго тороидов второй пары соединяют последовательно между собой и с катушкой третьего электромагнита, образующего однородное соленоидальное магнитное поле, ортогональное плоским граням первого и второго тороидов второй пары тороидов, помещенных в указанное магнитное поле третьего электромагнита, и производят намагничивание второй пары тороидов постоянным током, насыщающим ферромагнетик тороидов второй пары, а после указанного намагничивания со всех четырех тороидов снимают катушки намагничивания по правому или левому кругам, а склеивание тороидов между собой производят так, что все одноименные магнитные полюсы обращают в образующуюся тороидальную полость с одинаковыми направлениями тангенциальных составляющих векторов намагниченности всех четырех тороидов по правому или левому кругам.
Достижение поставленной цели объясняется действием только постоянных магнитов, не требующих для своего функционирования электрического тока. Векторы магнитной индукции используемых ферромагнитных тороидов со специфической, так называемой косокруговой намагниченностью, образуют в свободном тороидальном пространстве - полом тороиде с прямоугольным (в частности, с квадратным) сечением - магнитные силовые линии с одинаковой направленностью, исходящие из магнитных полюсов ферромагнитных тороидов в направлении по правому или левому кругам и являющиеся взаимно не пересекаемыми из-за того, что все магнитные полюсы, обращенные к тороидальной полости, являются одноименными, например, только северными (N) или только южными (S). При этом в тороидальной полости образуется однородное по криволинейной координате магнитное поле, напряженность которого возрастает от краев тороидальной полости к ее центру в сечении, нормальном к криволинейной координате - направлению распространения силового магнитного поля (по правому или левому кругам).
Термин косокруговое магнитное поле введен автором и известен в опубликованных его работах [5-7].
Способ реализуется представленным на рис.1 устройством, показанным в центральном сечении. Это устройство включает:
1 - первый ферромагнитный тороид с косокруговым намагничиванием его БОКОВЫХ граней,
2 - второй ферромагнитный тороид с косокруговым намагничиванием его БОКОВЫХ граней,
3 - третий ферромагнитный тороид с косокруговым намагничиванием его ПЛОСКИХ граней,
4 - четвертый ферромагнитный тороид с косокруговым намагничиванием его ПЛОСКИХ граней.
На рис.2 указаны сравнительные габариты используемых соосно установленных ферромагнитных тороидов (вид сверху) первой пары тороидов.
На рис.3 указаны сравнительные с тороидами первой пары (рис.2) габариты первого и второго тороидов второй пары тороидов.
На рис.4 представлена конструкция первого и второго электромагнитов с разными габаритами кольцевого магнитного зазора, в который помещаются первый и второй ферромагнитные тороиды первой пары тороидов с намотанными на них катушками намагничивания по правому или левому кругам, что определяется выбранным направлением тока намагничивания в них. Этот электромагнит образует в своем магнитном зазоре радиально-кольцевое магнитное поле.
На рис.5 представлена конструкция третьего электромагнита, в магнитный зазор которого вставляются первый и второй ферромагнитные тороиды второй пары тороидов с намотанными на них катушками намагничивания по правому или левому кругам, что также определяется выбранным направлением тока намагничивания в них. Такой электромагнит образует однородное соленоидальное магнитное поле.
При этом первый 1 и второй 2 ферромагнитные тороиды вставлены соосно один в другой с зазором, образующим ширину тороидальной полости, а третий 3 и четвертый 4, расположенные соосно соответственно снизу и сверху образовавшегося тороидального зазора, перекрывают последний, и при этом одинаковая толщина первого и второго ферромагнитных тороидов образует высоту тороидального пространства. Указанные ширина и высота сечения тороидального пространства могут быть выбраны одинаковыми, и тогда тороидальное пространство между скрепленными между собой четырьмя ферромагнитными тороидами представляется кольцом с квадратным сечением. Внутри этого кольца действует однонаправленное и однородное по окружностям, соосным данному кольцу, магнитное поле, напряженность которого по сечению кольца растет от краев сечения к его центру, достигая максимума на окружности, представляющей собой геометрическое место точек центров сечений тороидальной полости, ортогональных указанной окружности. Такое распределение напряженности магнитного поля по сечениям тороидальной полости, как указывалось выше, обусловлено, во-первых, обращением к тороидальной полости магнитных полюсов всех четырех ферромагнитных тороидов ОДНОГО ЗНАКА магнитной полярности, во-вторых, такой косокруговой намагниченностью этих ферромагнитных тороидов, при которой все векторы магнитной индукции наклонены к соответствующим их магнитным полюсам в одну и ту же сторону по криволинейной координате, то есть либо по правому кругу, либо по левому, что обусловлено характером косокруговой намагниченности этих ферромагнитных тороидов при их изготовлении как постоянных магнитов из магнитотвердого ферромагнетика [8-10], выполненных в форме тороидов с соответствующей геометрией.
Укажем более подробно свойства и организацию косокругового намагничивания (ККН) ферромагнитных тороидов на примере намагничивания первого и второго тороидов второй пары тороидов.
Векторы ККН, исходящие из произвольных точек на окружности и лежащих на плоскости торца тороида, образованные ортогоналями и касательными к данным точкам окружности, располагаются под одинаковыми КОСЫМИ углами к касательным, проведенным к данным точкам. Угол наклона вектора к соответствующей его касательной определяется соотношением его нормальной и тангенциальной составляющих - проекциями вектора на соответствующие ортогональ и касательную к данной точке окружности.
Совокупность окружностей, осесимметричных кольцевой грани ферромагнитного тороида (оси его симметрии), лежит в плоскости грани этого тороида, и все векторы, исходящие из точек, лежащих на совпадающих по направлению радиусах этих окружностей, имеют одинаковый угол наклона к соответствующим касательным, проведенным к указанным точкам окружностей, то есть являются взаимно параллельными для каждого из радиальных направлений, если соотношения для ортогональных и тангенциальных составляющих векторов сохраняются неизменными для всех точек, расположенных на плоской грани ферромагнитного тороида.
Это условие выполняется, если во всех дифференциальных объемах ферромагнитного вещества тороида намагничивание осуществляется одновременно действием однородного соленоидального и вихревого (тороидального) насыщающих магнитных полей для первого и второго тороидов второй пары тороидов.
Вариацией значений напряженности этих двух магнитных полей можно изменять указанные углы наклона векторов магнитной индукции в тороиде с наведенной ККН в широких пределах - π/2<θ<π/2. При θ=0 отсутствует косокруговая намагниченность.
Указанное выше относится к ККН на плоских торцах ферромагнитных тороидов 3 и 4. Аналогичные доводы относятся к ККН на боковых круглых гранях тороидов 1 и 2. Изменяются лишь схемы намагничивания с использованием разных по конструкции электромагнитов - первого (второго) и третьего.
3
Способы осуществления ККН ферромагнитотвердых тороидов (например, ферритовых колец) известны из работ автора [5-7] и заключаются в помещении ферромагнитного тороида с намотанной на него спиральной обмоткой в соленоид, обмотка которого последовательно соединена с указанной спиральной обмоткой на ферромагнитном тороиде и подключена к источнику постоянного тока, создающего насыщающее магнитное поле для ферромагнетика тороида. Переключением спиральной обмотки тороида ее начала и конца к обмотке соленоида можно изменить наклон векторов намагничивания относительно плоских граней тороидов по правому или левому кругам. Для получения косокругового намагничивания на боковых поверхностях ферромагнитных тороидов последние с намотанными на них спиральными обмотками помещают в кольцевой магнитный зазор электромагнита (наподобие звуковой катушки в электромагнитных динамиках), обмотку которого также соединяют последовательно со спиральной обмоткой тороида к источнику постоянного намагничивающего тока. В качестве ферроматериалов можно использовать различные соединения, например SmСо, NdFeB, AlNiCo и другие.
В полученных указанным способом тороидальных магнитных полях можно проводить исследования динамики поведения однополярных магнитных жидкостей, содержащих искусственно созданные на основе нанотехнологии магнитные монополи. В образованном заявляемым способом магнитном поле такие магнитные частицы будут испытывать постоянное во времени действие сил, образуемых от магнитного взаимодействия таких частиц с тороидальным магнитным полем в свободном пространстве полого тороида, заполненного однополярной магнитной жидкостью. При этом вся жидкость постепенно приходит в однонаправленное ламинарное движение внутри тороидальной полости и ее скорость течения доходит до определенного установившегося значения в центральной по сечению части полого тороида. Поскольку по известным гидродинамическим законам жидкость, соприкасающаяся со стенками тороидальной полости, в указанном движении участия не принимает и по сечению полости имеет место распределение установившихся скоростей течения жидкости, то в системе движущейся жидкости возникает вязкое трение частиц жидкости между собой, вследствие чего, с одной стороны, возникает установившийся процесс течения жидкости при равенстве сил магнитного тяготения и вязкого трения, интегрированных по всему объему тороидальной полости, а с другой, стороны происходит нагревание магнитной жидкости из-за вязкого трения. При этом возникает вопрос в теоретической физике, каким образом теплоизлучение и механическая работа, связанная с движением массы магнитной жидкости, согласуется с законом сохранения и превращения энергии, если учитывать тот бесспорный факт, что энергия магнитного поля, создаваемая постоянными магнитами такого устройства, не затрачивается, так как эти магнитны практически не размагничиваются (исключая естественное «старение» магнитов). Ответ на этот вопрос имеет принципиальное значение. При этом надлежит признать, что либо монополи не существуют в природе и не могут быть синтезированы искусственно, либо энергия черпается из вакуумного поля, населенного, как установлено современной физикой, безмассовыми голдстоуновскими частицами, которые при нарушении симметрии могут превращаться в массовые частицы-лептоны и кварк-глюонную плазму или в аннигиляционном процессе с виртуальной массой трансформируемых бозонов вакуумного поля непосредственно в энергию при каталитическом действии магнитного поля [11-17]. Однако существование природных монополей доказано как возможное [18-20] и, по мнению заявителя, их искусственные аналоги можно воссоздать лабораторно. Поэтому остается предполагать, что вакуумное поле может рассматриваться в будущем в качестве поставщика энергии, как об этом заявляли и другие авторы [21-23].
Литература
1. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте, М.,1988;
2. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение, пер. с англ., М., 1988;
3. Рабинович М.С. Экспериментальные исследования на стеллараторах, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т.2, М., 1981, с.6;
4. Шафранов В.Д. Тороидальные системы для управления термоядерного синтеза, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т.8, М., 1988, с.131;
5. Меньших О.Ф. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, патент РФ №2391730, опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010;
6. Меньших О.Ф. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, патент РФ №2392681, опубл. в бюлл. №17 от 20.06.2010.
7. Ментших О.Ф. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, патент РФ №2451351, опубл. в №14 от 20.05.2012;
8. А.А.Преображенский, Е.Г.Биширд Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986;
9. И.Е.Февралева. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты, К., 1969;
10. Постоянные магниты, Справочник, М., 1971;
11. Higgs P.W., Broken symmetries and the masses of gauge bosons, «Phys.Rev.Let.», 1964, v.12, p.132;
12. Englert F., Brout R., Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons, Phys.Rev.Lett., 1964, v.13, p.321;
13. Guralnic G.S., Hagen C.R., Kibble T.W.B., Global conservation laws and massless particles, Phys.Rev.Lett, 1964, v.13, p.585;
14. L3 Collaboration, Phys. Reports, 1993, v.236, p.1.
15. Коулмен С. Тайная симметрия: введение в теорию спонтанного нарушения симметрии и калибровочных полей, в сб.: Квантовая теория калибровочных полей, пер. с англ., М., 1977;
16. Бернстейн Дж. Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т.п., М., 1978;
17. Славнов А.А., Фаддеев Л.Д. Введение в квантовую теорию калибровочных полей, 2-ое изд., М., 1988;
18. Монополь Дирака. Сб. ст., пер. с англ., М., 1970;
19. Стражев В. И., Томильчик Л. М. Электродинамика с магнитным зарядом. Минск 1975;
20. Коулмен С. Магнитный монополь пятьдесят лет спустя, пер. с англ "УФН" 1984 т. 144, с.277.
21. Рощин В.В., Годин С.М. Устройство для выработки механической энергии патент РФ 2155435 от 27.10.1999 г.
22. Леонов B.C. Способ создания тяги в вакууме…, патент РФ 2185526 от 20.06.2002.
23. Леонов B.C. Теория упругой квантованной среды, ч.2, Новые источники энергии. - Минск, 1997, с.93-104, рис.24.