Теория электромагнитной силовой линии

Академик УАН - Черногоров А.Д.

Введение 

Настоящей статьей я хочу заполнить те пробелы, которые существуют в физике и основах электротехники до наших дней еще со времен М. Фарадея (более 180 лет). Какие проблемы из этих пробелов получила прикладная электротехника,  смогут оценить только специалисты, прочитав эту статью. Из-за этих пробелов до настоящего времени совершено не раскрыта физика работы силового трансформатора. И получается своеобразный парадокс: трансформаторы рассчитываются, строятся на различные мощности и работают уже более сотни лет, но совершенно не ясна физика их работы. Одни специалисты считают, что трансформатор работает на принципе взаимоиндукции, другие специалисты считают, что трансформаторы работают на принципе электромагнитной индукции. Но и те, и другие объясняют работу силового трансформатора следующим образом. При подключении трансформатора к источнику переменного напряжения через витки его первичной обмотки проходит переменный ток, образуя переменное магнитное поле. Силовые линии магнитного потока, проходящего по сердечнику под действием этого переменного поля, пересекают витки вторичной обмотки и индуктируют в ней э.д.с.  Если вторичная обмотка замкнута на какую-нибудь нагрузку, то под действием этой э.д.с. во вторичной цепи проходит ток. Сердечник трансформатора направляет магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой,  так, чтобы обеспечить надлежащую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками. Вот такое объяснение. Но если магнитный поток от первичной обмотки замыкается по магнитопроводу, то он не может пересекать витки вторичной обмотки, которые расположены на некотором расстоянии от магнитопровода. А тот магнитный поток рассеяния, который обнаруживается у витков вторичной обмотки на холостом ходу трансформатора, не может индуктировать в ней э.д.с., достаточную для передачи необходимой электрической мощности от первичной обмотки трансформатора на вторичную обмотку под нагрузкой. Как на самом деле работает трансформатор будет объяснено ниже. Другой пробел в теории магнетизма привел к тому, что все электрические машины обратимы. То есть генератор может быть двигателем, двигатель – генератором. С одной стороны это хорошо. Нет генератора – взял двигатель и крути его. Получишь генератор. Но с другой стороны, когда электродвигатель работает по своему прямому назначению, постоянно нужно тратить до 80% мощности, чтобы преодолевать обратную э.д.с., возникающую в рабочей обмотке двигателя. А это очень затратно. И многие до настоящего времени считают, что создать необратимый электрический двигатель невозможно. Но в Украине уже получены патенты на необратимые электродвигатели. Они выложены в Интернете и опытные образцы таких двигателей были продемонстрированы еще в 2010 году  на выставке в Киевском Политехническом Университете, посвященной Дню изобретателя и рационализатора.

Создать необратимые двигатели оказалось делом непростым. В обратимой электрической машине при её работе сочетаются одновременно (у двигателя) – работа проводника с током в магнитном поле (двигательный режим), когда проводник с током перемещается в магнитном поле в соответствии с Правилом левой руки, вращая якорь или ротор двигателя, а с другой стороны, поскольку проводник с током движется в магнитном поле, в нём, по Правилу правой руки наводится э.д.с., направленная встречно току в проводнике, а следовательно и подведенному к двигателю напряжению, которую называют обратной э.д.с. Но в Украине удалось создать ряд электродвигателей постоянного и переменного тока, в обмотках которых не наводятся обратные э.д.с. Такие двигатели не могут работать генераторами, так как не могут генерировать в своих обмотках электродвижущую силу. Как их не раскручивай, напряжения на выходах таких двигателей при полном возбуждении и перевозбуждении на холостом ходу не подымаются выше 5% от номинального и падают до 1% при подключении очень малых электрических нагрузок. Это объясняется наличием в двигателе магнитного потока рассеяния, которым при расчёте двигателя можно пренебречь. И тем более, что рабочее напряжение необратимых двигателей составляет от нескольких вольт до нескольких десятков вольт. Очень низкие рабочие напряжения необратимых электродвигателей объясняются, при отсутствии обратных э.д.с., очень малой величиной произведения рабочего тока через якорь (ротор) на сопротивление меди его обмотки. Но это уже тема для статьи об электродвигателях.  

С другой стороны пробелы в физике привели к созданию таких монстров в электромашиностроении, как современные электрические генераторы больших мощностей.  Они получаются очень металлоемкими и со сравнительно низким КПД. И только потому, что физика своевременно не смогла объяснить существующие пробелы, до сих пор не работают простейшие сверхединичные устройства, способные давать очень дешевую электроэнергию.  Во всех предлагаемых трансгенераторах с изменением нагрузки расстраиваются резонансы токов и напряжений, и трансгенераторы престают работать.

С тех пор, как М. Фарадей ввел понятие силовых линий для электрического и магнитного полей, магнитная силовая линия так и не нашла своих теоретиков, которые могли хотя бы предположить, как она устроена в общей картине магнитного поля. Другими словами, что она из себя представляет. Фарадеевские магнитные силовые линии, которые проводят для изображения магнитного поля, являются, со времен М. Фарадея, воображаемыми и располагаются так, что касательные к ним в любой точке пространства совпадают по направлению с вектором магнитной индукции. Таким образом, через каждую точку пространства может проходить только одна силовая линия.

Силовые линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты. Следовательно, магнитное поле является вихревым.

Раздел физики, именуемый магнитной гидродинамикой, развившийся на стыке гидродинамики и классической электродинамики, а по сути науки о движении электропроводящих жидкостей и газов в присутствии магнитного поля, объектами которой, в основном является горячая (термоядерная) плазма, в некоторых случаях, чтобы получить картину течений среды и деформаций магнитного поля, рекомендует рассматривать магнитные силовые линии, как упругие нити, на которые нанизаны частицы среды. В основном это касается МГД-среды, когда речь идет о вмороженности магнитного поля. В результате магнитный поток через любой движущийся и меняющий свои размеры элемент среды остается неизменным.

Еще известно, что наличие дополнительных «упругих» натяжений в МГД-средах приводит к альфеновским волнам, которые распространяются вдоль силовых линий магнитного поля, а также описывается течение несжимаемой жидкости с той же альфеновской скоростью вдоль произвольного магнитного поля.

Магнитные силовые линии магнитного поля Земли простираются в Космосе до расстояния 70-80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположном направлении. Вот и всё, что известно о магнитной силовой линии со времён Майкла Фарадея.

Устройство электромагнитной силовой линии

В связи с тем, что магнитное поле является силовым полем, то магнитную силовую линию нельзя считать условной. Она несёт в себе физический смысл. Следовательно, она материальна и имеет вполне определённое устройство. Независимо от того принадлежит ли она стальному магниту, электромагниту постоянного тока, электромагниту переменного тока, проводнику с током или магнитному полю Земли, -  всюду она имеет одинаковое строение. На рис. 1 показан отрезок магнитной силовой линии. В её центре вдоль продольной оси расположены структурные магнитные образующие («а»), представляющие собой микроскопические магнитные диполи. Их размеры вдоль продольной оси силовой линии L1 ¸ L4 имеют размеры ядер атомов, независимо от того, какую они пронизывают среду (от вакуума до самого плотного вещества). Такая линия обладает магнитными свойствами. По всей своей длине она укрыта электрическим покрывалом. Это покрывало многослойное по всей длине замкнутой силовой линии. На рис. 2 показан поперечный разрез магнитной силовой линии. В центре «а» расположены структурные магнитные образующие (микроскопические магнитные диполи), укутанные магнитным электрическим покрывалом «в». Но так как магнитная силовая линия не может быть без электрического покрывала, то её нужно называть электромагнитной силовой линией. Микроскопические магнитные диполи электромагнитной силовой линии образуются в электризованном пространстве независимо от того, из чего это пространство состоит.   

Из курса физики известно, что порождение электромагнитного поля переменным магнитным полем и магнитного поля переменным электрическим полем приводят к тому, что электрические и магнитные поля не существуют обособленно, то есть независимо друг от друга. Отсюда вытекает, что электромагнитная силовая линия изначально имеет в своём строении магнитную образующую и электрическую составляющую. И тогда я представил её строение так, как описал выше. У постоянного магнитного поля структурные магнитные образующие электромагнитной силовой линии по всей длине как бы укрыты электрическим полем, словно электрическим покрывалом. Но почему это покрывало многослойное? У магнитной образующей электромагнитной силовой линии электрическим полем закрываются стыки магнитных диполей. В противном случае, к стыкам магнитных диполей притягивались бы другие магнитные диполи и линия не была бы линией. Она превращалась бы в бесконечный куст. Но этого не позволяют сделать именно электрические покрывала стыков. Далее всё это укрыто несколькими слоями электрического поля, что не даёт электромагнитным силовым линиям пересекаться или смыкаться в магнитный жгут (пучок). С другой стороны, в любом пространстве электромагнитная силовая линия защищена электрическим покрывалом от электромагнитных волн. Что происходит в переменном магнитном поле, будет описано в разделе «Работа силового трансформатора».   

На рис. 3 показано поперечное сечение постоянного магнита и электромагнита постоянного тока, а также воздушного зазора магнитопровода переменного тока. Структурные магнитные образующие электромагнитной силовой линии между северным и южным полюсами выполняют роль натянутых струн, своеобразной арматуры, так как в воздушном зазоре стараются замкнуться по наикратчайшему пути. Электрические покрывала всех электромагнитных силовых линий в воздушном зазоре смыкаются и образуют общее электрическое поле, обладающее свойствами электростатического поля: электрические покрывала соседних электромагнитных силовых линий стараются оттолкнуться друг от друга и благодаря этому частично искривляют электромагнитные силовые линии в воздушном зазоре, стараясь растянуть их, выходя за пределы поперечных контуров воздушного зазора. Этими явлениями объясняются и потоки рассеивания вдоль магнитопроводов как постоянных, так и переменных магнитов, в электрических машинах, трансформаторах и приборах.

Магнитный поток от переменного тока по замкнутому магнитопроводу можно рассматривать как переходный процесс при каждом полупериоде синусоидального тока. Здесь структурные магнитные образующие электромагнитных линий замыкаются по магнипроводу, а все электрические покрывала вытесняются за пределы магнитопровода, образуя вокруг магнитопровода общее переменное электрическое поле. На рис. 4 показано поперечное сечение магнитопровода переменного тока. Векторы «удаления» стремятся расширить границы переменного электрического поля от границ магнитопровода до бесконечности. Если на пути расширяющегося электрического поля встречается экран (им может быть стальной корпус трансформатора), в его металлической структуре переменное электрическое поле наводит вихревые токи, создающие антиэлектрическое поле, которое не пропускает за пределы экрана электрическое поле магниторповода. Но так как антиэлектрическое поле не достигает магнитопровода, то оно практически не сказывается на электрических потерях.

Антиэлектрическое поле образуется от вихревых токов, которые возникают в экране от действия основного переменного электрического поля. Антиэлектрическое поле – это такое же переменное электрическое поле, направленное против причины его возникновения, то есть против того переменного электрического поля, которое вызвало в экране вихревые токи. Получается своеобразный электрический буфер между электрическим и антиэлектрическим полями. Более того, этот буфер обладает механическими усилиями и его эффект используется в ряде конструкций необратимых электрических двигателей. 

Работа электрического генератора и электрического двигателя

На рис. 5 показаны северный и южный полюсы постоянного магнита, между которыми  в воздушном зазоре изображены три электромагнитные силовые линии в продольном разрезе. В центре каждой электромагнитной силовой линии показаны структурные магнитные образующие, словно магнитные струны, натянутые между северным и южным полюсами. Каждая магнитная струна снаружи укутана электрическим покрывалом. Электрические покрывала всех структурных магнитных образующих между северным и южным полюсами, смыкаясь, образуют единое электрическое поле. Если внести между полюсами проводник, концы которого разомкнуты, и начать его перемещать вправо по стрелке со скоростью υ, проводник будет пересекать электрическое поле, которое опирается на структурные магнитные образующие. Не магнитная силовая линия, как считают до настоящего времени, а именно электрическое поле, которое пересекает проводник, создаёт разность потенциалов на концах проводника. При подключении концов проводника на какую-либо нагрузку, по проводнику потечёт электрический ток, направление которого определится по правилу правой руки. Но меняется сама природа генерации э.д.с. в проводнике. Она наводится благодаря пересечению проводником электрического поля электромагнитных силовых линий. Ток, протекающий по проводнику, перемещаемому в электрическом поле, наводит вокруг проводника свои структурные магнитные образующие, вокруг которых образуется собственное электрическое покрывало. Направление тока в проводнике на рис. 5 показано крестиком (определено по правилу правой руки). Направление структурных магнитных образующих от тока проводника и направление электрического поля электрического покрывала вокруг проводника на рис. 5 показано стрелками.

Так как направление электрических полей между магнитными полюсами и вокруг проводника с током со стороны стрелки, показывающей перемещение проводника, совпадают, электрические поля индуктора и проводника стараются отталкиваться одно от другого. Но электрическое поле индуктора как бы застопорено структурными магнитными образующими электромагнитных силовых линий, а электрическое поле проводника с током прикреплено к структурным магнитным образующим тока проводника, а значит к самому проводнику, то для электрического генератора, чтобы поддерживать электрическую нагрузку нужно постоянно преодолевать отталкивающие силы между электрическими полями индуктора и проводниками с током нагрузки. А это уже задача первичного двигателя, вращающего генератор под нагрузкой.

На рис. 6 показан проводник с током в электрическом поле индуктора. Северный магнитный полюс индуктора находится в плоскости листа. Южный магнитный полюс находится над листом. Структурные магнитные образующие электромагнитных силовых линий выходят из северного полюса и направлены вверх, к южному полюсу. Электрические покрывала всех электромагнитных силовых линий образуют между магнитными полюсами индуктора общее электрическое поле, направление которого совпадает с направлением структурных магнитных образующих электромагнитных силовых линий.

По проводнику течет ток от генератора постоянного тока. По правилу левой руки электрическое поле в воздушном зазоре между магнитными полюсами вытесняет проводник с током в направлении стрелки υ, взаимодействуя с электрическим полем проводника с током (по аналогии с рис. 5). Но в данном случае будет двигательный режим. Его недостаток в том, что в проводнике с током, движущемся в электрическом поле в двигательном режиме, по правилу правой руки наводится противоэ.д.с., направленная против напряжения, подводимого к проводнику в двигательном режиме. И для того, чтобы её подавить, к проводнику нужно подвести более высокое напряжение от питающей двигатель сети. Поэтому двигатели должны быть необратимыми, чтобы на подавление  противоэ.д.с. не затрачивалось до 80% мощности от сети, питающей электродвигатель. И такие электродвигатели в Украине уже есть. 

Работа силового трансформатора

На рис. 7 показано устройство силового трансформатора. Все четыре основные уравнения переменного магнитного поля, которые приводятся в учебниках по теоретическим основам электротехники как уравнения Максвелла, не объясняют физическую сущность работы трансформатора. Кроме уравнения Максвелла в теории электромагнитного поля большое значение имеет теорема Умова-Пойнтинга. В математической форме последняя выясняет энергетические соотношения в поле. Первая форма записи теоремы Умова-Пойнтинга - для мгновенных значений, вторая – в комплексной форме – для синусоидально изменяющихся величин. Но без объяснений физической сути явлений, происходящих в работающем трансформаторе, по математическим формулам невозможно представить, как работает трансформатор под нагрузкой.

Так второе уравнение Максвелла записывается:  

По сути, это есть дифференциальная форма закона электромагнитной индукции. Его смысл состоит в том,  что всякое изменение магнитного поля во времени в какой-либо точке поля возбуждает вихрь или ротор электромагнитного поля в той же точке поля, т.е. вызывает вихревое электрическое поле.

Теперь попробуем это объяснить на работе трансформатора. Каким образом основной магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу генерирует во вторичной обмотке электродвижущую силу? А физика здесь такова: структурные магнитные образующие магнитной силовой линии окружены электрическим полем. Электрическое поле неизбежно существует вокруг структурной магнитной образующей, подобно тому, как магнитное поле (структурные магнитные образующие от тока проводника) существует вокруг проводника с током. И чем сильнее магнитный поток, тем интенсивнее электрическое поле. Замыкаясь по магнитопроводу, магнитный поток вытесняет все электрические покрывала структурных магнитных образующих за пределы магнитопровода. Но так как те и другие связаны между собой, то проводником электрического поля становится естественная среда, существующая вокруг обмоток трансформатора и его магнитопровода. Этой средой может быть воздух, газ, изоляционные масла и пр. Воздействуя на металлический проводник, электрическое поле воздействует на отрицательно заряженные электроны и создаёт на концах проводника (на вторичной обмотке) разность потенциалов или электродвижущую силу. И если теперь замкнём концы обмотки на какое-то сопротивление (или между собой при коротком замыкании) по обмотке потечёт ток, который создаёт магнитное поле, магнитный поток которого направлен против магнитного потока, который создаётся первичным током.  И в магнитопроводе трансформатора электрические поля от магнитных силовых линий, вызванных током во вторичной обмотке, стараются нейтрализовать электрическое поле вокруг магнитных силовых линий от тока первичной обмотки.

При размагничивании магнитопровода током вторичной обмотки уменьшается входное сопротивление первичной обмотки, т.е. уменьшается индуктивное сопротивление первичной обмотки и в соответствии с законом Ома, увеличивается ток в первичной обмотке, а следовательно и увеличивается и магнитный поток от первичной обмотке, преодолевая размагничивающее действие от вторичной обмотки.

Магнитные силовые линии от тока первичной обмотки замыкаются по магнитопроводу, а электрические линии (электрическое поле) вытесняется из магнитопровода и пронизывает пространство вокруг магнитопровода от периферии магнитопровода в бесконечность (см. рис. 4). Электрическое поле не совершает какой-либо работы пока не натыкается на проводник, уложенный вокруг ярма или вокруг стержней магнитопровода, перпендикулярно его сечению. Если вторичная обмотка замкнута на себя или какую-либо нагрузку по проводнику течёт вторичный ток. Таким образом, сопротивление между концами первичной обмотки трансформатора для переменного тока зависит от нагрузки его вторичной обмотки. Волна электрического поля вокруг магнитопровода пропорциональна во времени волне магнитного потока через магнитопровод от тока первичной обмотки.

В ферромагнитных материалах (в трансформаторной стали) при возрастании магнитной индукции увеличивается и число параллельных магнитных образующих, то есть магнитных силовых линий. Их плотность становится настолько высокой, что электрические покрывала вытесняются из магнитопровода за его пределы. Слои электрических покрывал (электрического поля) образуют векторы удаления, направленные вокруг магнитопровода, перпендикулярно направлению магнитного потока в магнитопроводе, от магнитопровода в бесконечность. Чем выше магнитная индукция в магнитопроводе, тем гуще круговой поток векторов удаления электрического поля. На рисунке 7а показана часть участка магнитопровода трансформатора. Если магнитный поток в магнитопроводе изменяет направление на обратное, то меняются на обратные направления элементов электрического поля вокруг магнитопровода. Но векторы удаления свои направления не меняют. И всё это поясняет картину работы трансформатора, то есть совокупность изменяющихся по времени и взаимно связанных друг с другом электрического и магнитного полей.

РЕЗЮМЕ 

Открытое мной электрической поле вокруг структурных магнитных образующих магнитной силовой линии значительно двинет технический прогресс. В первую очередь это коснётся устройств генераторов. Они станут менее металлоёмкими. Их статоры и роторы будут значительно облегчены, а сами генераторы будут иметь более высокую отдачу. На смену обратимым электродвигателям придут необратимые, что даст значительный прирост электрических мощностей для потребителей, оставляя неизменными генерирующие мощности.

Предложенная теория электромагнитной силовой линии позволит объяснить многие парадоксы в прикладной электротехнике, на которые нет ответов у современной электродинамики.

От автора: 

 «Теория электромагнитной силовой линии» разработана мной без участия каких-либо других лиц. Если к этой теории будут причислять другие авторы или соавторы, все эти лица будут являться плагиаторами. На базе этой теории разработаны и запатентованы до 30 вариантов различных электрических двигателей. Некоторые образцы уже построены и демонстрировались различными телеканалами, начиная с сентября 2010 года  и кончая сентябрем 2013 года (каналы ТОНИС, ТРК СТВ, ТРК ИРТА). В настоящее время, благодаря этой теории, разработаны бесколлекторные двигатели постоянного тока, которые предназначены для электрифицированного транспорта (электромобили, электровозы и т.д.). Патенты на последние двигатели не будут выложены в Интернете. Лицензии на двигатели будут продаваться фирмам и предпринимателям по опционным договорам  с последующей заменой на лицензионные договора, оформленные в соответствии с патентами Украины.  

20.04.2013 г.

Академик УАН А.Д. Черногоров

 г. Северодонецк - г. Киев

============

ИНФОРМАЦИЯ об Авторе: 

По вопросам сотрудничества с Черногоровым А.Д. обращаться: 

Сердюк Сергей Петрович – Киев

Тел/Факс: +38 044-248-39-60;  

Моб: +38 (050) 072-24-95; +38 (067) 907-39-76  

E-mail:    ;  ;   

Skype:  lidersergiy