Жидкие униполярные машины

1
Лоренцевы машины с жидкой и плазменной проводящей
средой
Рассмотрены лоренцевы электромашины, в которых
проводящей средой является жидкость или
проводящий газ (плазма). Показано, что данный
механизм, в частности, имеет место в
геофизических и астрофизических процессах.
Униполярные машины с жидким проводящим телом
Известны униполярные машины – генераторы и моторы - с твердым
металлическим проводящем диском [1, 3]. Также известен униполярный мотор с
проводящим диском из жидкого металла, вращение которого в металлургии
используется для его перемешивания.. Во всех этих машинах заряженными
частицами, к которым приложена сила Лоренца, являются электроны
проводимости.
Рассмотрим возможность использовать ионы солей для создания униполярной
ЭДС и вращающего момента. Проделаем следующий эксперимент (схема
приведена на рис.1):
Рис. 1
В мелкий цилиндрический сосуд (пластиковый или стеклянный) наливается
концентрированный раствор поваренной соли. Под сосудом устанавливается
поляризованный по оси дисковый (кольцевой) магнит. На краю сосуда и в его
центре устанавливаются электроды (как для электролиза), на которые подается
напряжение порядка 30 В от лабораторного источника питания. При подаче
напряжения жидкость начинает интенсивно вращаться с образованием в центре
воронки. Правда, при этом идет электролиз с выделением хлора, так, что
эксперимент нельзя продолжать слишком долго. Таким образом, в данном
униполярном моторе проводящий солевой раствор игрет роль проводящего диска.
Направление вращения меняется при перемене полярности. Очевидно, что в этом
случае заряженными частицами, к которым приложена сила Лоренца, являются не
электроны, а ионы – катионы Na+ и анионы Cl-, которые движутся в
2
противоположных направлениях и к которым, соответственно, приложена сила
Лоренца, действующая в одну сторону и, таким образом, вращающая жидкость.
Также очевидно, что если такой “мотор” инвертировать (вращать жидкость), то
между центром и краем сосуда возникнет ЭДС.
Магнитные поля океанических вихрей
Данный эффект может иметь достаточно принципиальное значение, в
частности, в геофизических и астрофизических процессах. Например, круговые
течения в океанах вызывают появление ЭДС между центром течения и его краем.
Теоретически, вращение Земли (магнитное поле стоит и не вращается с Землей)
может вызвать аналогичный эффект, но во всех случаях нужен разряд ЭДС в
окружающее пространство (нужны неподвижные щетки, снимающие ЭДС). В
случае океанических круговых течений разряд происходит в неподвижной части
океана на некоторой глубине (ось униполярного генератора) и на краю течения
(щетки униполярного генератора). В случае же вращения Земли, ЭДС от вращения,
например, арктического бассейна, полностью компенсируется, так как разряд
отсутствует. Само же “униполярное динамо” Земли разряжается в космос через
ионосферу. Эффекты такого разряда известны. Это, в частности, недавно открытые
ионосферные молнии, бьющие в местах повышенной проводимости земной коры.
Можно оценить ЭДС, наводимую в круговых океанских течениях. В
частности, Гольфстрим и Курасио образует циклонические и антициклонические
вихри диаметром порядка 200 км [2]. Скорость течения порядка 70 миль/сутки (113
км/сутки = 1,3 м/сек).
ЭДС униполярного генератора определяется по формуле: E  1 B R 2 или
2
E  1 BVR , где V – скорость края вихря (проводящего диска), R – его радиус, В –
2
индукция. Тогда ЭДС, наводимая в магнином поле Земли между осью вихря и его
краем, получается равной E  1 B R 2  0.5 1104  2 106  4 1010  4 В.
2
Напряженность электрического поля в этом случае составит порядка 4 105 В/м, а
плотность тока порядка единиц наноамперов на квадратный метр (сопротивление
100- километрового столба морской воды площадью 1 кв.м. порядка 25 КОм).
Тогда плотность тока составит 1.6 104 A / m 2 . , Ток, текущий столбе жидкости
площадью 1 кв. км. составит примерно 160 А. Так как периметр вихря составляет
порядка 6  105 м, то суммарный ток, текущий от центра вихря к переферии (при
глубине вихря в 1 км) будет порядка 1105 А. Магнитная индукция в этом столбе
воды составит 0.6 107 Тл или 0.6 103 Гс, что намного меньше индукции поля
Земли (порядка 0.6 Гс). Величины получаются весьма малые, которые вряд ли
могут как-то сказаться на процессах в водяном вихре, хотя этот эффект существует.
Вспышки на Солнце
Другое дело – это вихри на Солнце, то есть солнечные пятна. Можно с
достаточным основанием предположить, что механизм их возникновения связан с
3
кориолисовой силой, которая вызывает турбулентность - закручивает элементы
плазмы фотосферы и более нижних слоев. На Земле и планетах с атмосферой
кориолисова сила вызывает циклонические вихри, особенно заметные на Юпитере,
место возникновения которых приходится на средние широты, где градиент
линейной скорости наибольший. На Солнце их возникновение и поведение
осложняется МГД эффектами, частично демпфирующими данный эффект, и их
проявление не столь наглядно, как на Юпитере, но, тем не менее, вихри
проявляются в виде солнечных пятен и оказывают существенное влияние на
Землю. Известно, что пятна окружены быстро вращающимся газом, что
подтверждает их вихревую структуру. Скорость же их вращения неизвестна, так
как ее никто не измерял. Это происходит вследствии того, что официальная наука
считает их происхождение связанням с прорывом неких магнитных трубок к
поверхности, а не с циклоническим вихрем и, таким образом получается, что
необходимости в данных измерениях нет.
Тем не менее, плазменный вихрь в фотосфере и зоне циркуляции Солнца
должен вызывать электродинамические эффекты, в частности возникновение
сильного собственного магнитного поля и, как следствие, выброса плазменной
дуги (протубенранца) с погружением нижней части вихря вглубь поверхности
Солнца.
Рассмотрим механизм возникновения данного эффекта (см. схему на рис. 2):
Рис.2
Плазменный вихрь представляет собой воронку (вращающийся цилиндр) с
вертикальными проводящими стенками, вращающимися в магнитном поле Солнца
(порядка 2 Гс) [4]. Горизонтальная составляющая поля вдоль солнечного
меридиана наводит ЗДС в части вертикальных стенок цилиндра, которые лежат в
плоскости параллели и которые замыкаются внизу и вверху вихря, то есть в
4
глубине зоны циркуляции и в верхних слоях фотосферы. Механизм наведения ЭДС
в данном случае такой же, как у генератора постоянного тока из школьного
учебника (это не униполярный генератор). Возникшие токи вызывают появление
магнитного поля контура A, C, D. E, которое его растягивает. Точки A, C, D, E
являются в данном случае как бы щетками, соединяющими вращающиеся
проводники AC и DE с неподвижными частями контура AE и CD. В результате
верхняя часть контура (плазменная дуга, протуберанец) выстреливается как из
рельсовой пушки, а нижняя часть еще больше погружается в глубину зоны
циркуляции. Фотографии солнечных пятен во время вспышки полностью
свидетельствуют о таком “выстреле протуберанцев из рельсовой пушки” (см. рис. 2
ниже).
Рис. 3
Скорость вращения плазменного вихря в солнечном пятне неизвестна, но известна
напряженность магнитного поля в пятне. Соответственно, основываясь на
известных данных о солнечных пятнах, можно оценить силу, приложенную к
выбросу солнечной массы (протуберанцу).
Известен диаметр пятен (2000 – 100000 км), напряженность магнитного поля
Солнца (2 Гс) и напряженность поля внутри пятна (порядка 0.4 Тл) [4].
5
Индукция в середине прямоугольного контура с током равна: B 
0 8I a 2  b2
4
ab
[3].
Отсюда можно определить ток в контуре A, C, D. E, который создает индукцию в
0.4 Тл, предполагая размер вихря D=20,000, глубиной L (сторона AC на рис. 2) =
20,000 км:
4 abB
4 1014  0.4
1.6 1014
I


 7 1012 А.
7
7
2
2
22.6
8  2  2 10 10
80 a  b
Сила, приложенная к участку АЕ (см. рис. 2) составит
F  BIl  0.4  7 1012  2 107  6 1019 Н.
Если она приложена к столбу плазмы (протуберанцу) длиной 20,000 км, сечением
100x100 кв. км и с плотностью, равной плотности газа на границе конвективной
зоны Солнца, то есть порядка 4  10 4 kg / m3 [4], то, при массе такого
протуберанца в 8  1013 кг, его ускорение составит примерно 8  105 m / sec 2 . Далее
происходит разгон протуберанца и его отрыв от контура (см. рис. 2).
Также можно пересчитать этот результат на плотность границы фотосферы в
8 105 kg / m3 [4] (плотность атмосферы Солнца в месте возникновения
протуберанцев не известна) и на попречный размер протуберанца в 1000 км. Тогда
ускорение протуберанца составит примерно 4 104 m / sec 2 и разгоняется до
скорости 200 км/сек за 0.5 сек. Если “выстреливается” сразу 10 протуберанцев (см.
рис. 3), то ток, протекающий в каждом из них, составляет 1/10 от общего и,
соответственно, они разгоняются до 200 км/сек за 5 сек и т.д.
Приведенный рассчет является грубым, оценочным, но, тем не менее, он
позволяет с уверенностью утверждать, что солнечные вспышки с выбросом плазмы
со скоростью порядка 200 км/сек происходят именно за счет описанного выше
механизма – рельсовой пушки, основанной на лоренцевой индукции.
Выводы
Лоренцев механизм индукции и силы также применим в случаях, когда
проводящей средой является жидкость или газ (плазма).
Список литературы:
1. Г. Ивченков, «Специфика силового и индукционного взаимодействия
постоянных магнитов с проводниками, токами и зарядами. Эквивалентные
схемы постоянных магнитов. Униполярные и тангенциальные
электромашины. Законы электромагнетизма. Физическая природа
магнитного поля», http://new-idea.kulichki.net/?mode=physics
2. “Полная энциклопедия”, http://www.polnaja-jenciklopedija.ru/zhiznokeana/krugovorot-vody.html
3. Б. М.Яворский, А. А. Детлаф, «Справочник по физике», "Наука" 1979г.
6
4. Физические величины, Справочник, Под. ред. И.С. Григорьева, Е.3. Мейлихова. ,
М, Энергоатомиздат, 1991