початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2291546

МАГНІТОВЯЗКІЙ МАЯТНИК

Ім'я винахідника: Менших Олег Федорович (RU)
Ім'я патентовласника: Менших Олег Федорович (RU)
Адреса для листування: 182545, Псковська обл., Невельський р-н, ст. Ізоча, Червоний Селище, 17, О.Ф. менших
Дата початку дії патенту: 2005.04.20

Винахід відноситься до фізики магнетизму і може бути використано в якості пристрою перетворення енергії магнітного поля в механічне коливальний рух. Магнітовязкій маятник містить постійний магніт і феромагнітний тіло, закріплене щодо постійного магніту, наприклад, на ковзної осі для руху з одним ступенем свободи в магнітному полі зі змінною магнітною індукцією уздовж зазначеної осі і пружно механічно пов'язане з постійним магнітом, наприклад, за допомогою пружини, закріпленої її кінцями відповідно з постійним магнітом і феромагнітним тілом, причому матеріал феромагнітного тіла обраний з постійною часу релаксації магнітної в'язкості, сумірною, наприклад, з однієї десятої періоду вільних коливань феромагнітного тіла, а напруженість поля в зазорі постійного магніту обрана переважно насичує для феромагнітного тіла. Технічний результат: отримання механічного коливального руху феромагнетика, що володіє необхідною магнітної в'язкістю і його зменшується відносної магнітної проникністю при збільшенні напруженості магнітного поля вище деякого критичного рівня.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до фізики магнетизму і може бути використано в якості пристрою перетворення енергії магнітного поля в механічне коливальний рух.

Магнетизм - особлива форма взаємодії електричних струмів і магнітів (тел з магнітним моментом) між собою і одних магнітів з іншими магнітними матеріалами. Магнітна взаємодія просторово рознесених тел здійснюється через магнітне поле Н, яке, як і електричне поле Е, являє собою прояв електромагнітної форми руху матерії. Між магнітними і електричними полями немає повної симетрії, так як джерелами електричних полів є електричні заряди, а магнітні заряди - монополі поки не виявлені, хоча теорія передбачає їх існування. Джерело магнітного поля - рухомий електричний заряд, тобто електричний струм. В атомних масштабах рух електронів і протонів створює орбітальні мікроструми, пов'язані з переносним рухом цих частинок в атомах або атомних ядрах, крім того, наявність у мікрочастинок спина обумовлює існування у них спинового магнітного моменту. Оскільки електрони, протони і нейтрони, що утворюють атомні ядра, атоми, молекули і все макротела (гази, рідини, кристалічні і аморфні тверді тіла), мають власний магнітний момент, то, в принципі, все речовини схильні до впливу магнітного поля - намагнічені, тобто є магнетика. Магнетики підрозділяються на Діамагнетик, парамагнетики і феромагнетики. Останні мають найбільшу магнітну сприйнятливість і використовуються в техніці в якості ефективних магнітів. У них атомні магнітні моменти спонтанно колінеарну самопозиціонується, утворюючи аномально великі магнітні моменти. У кращих сучасних магнітних матеріалів енергетичне твір (В Н) _max досягає величини 320 Тл · кА / м (40 млн. Гс.е), наприклад у матеріалу з високою коерцитивної силою SmCo ₃ (див., Наприклад, Преображенський А.А., Бішірд Є.Г. Магнітні матеріали і елементи, 3 вид., М., 1986; Февральова І.Є. Магнітотверді матеріали і постійні магніти, К., 1969; постійні магніти, Довідник, М., 1971).

Складність атомної структури речовин, побудованих з величезного числа мікрочастинок, дає практично невичерпне розмаїття їх магнітних властивостей, зв'язок яких з немагнітними властивостями (електричними, механічними, оптичними та ін.) Дозволяє використовувати дослідження магнітних властивостей для отримання інформації про внутрішню структуру та інші властивості мікрочастинок і макротел. Відзначимо, що магніти мають внутрішньою енергією. У разі однорідного магнітного поля в об'ємі магніту V енергія запасеного магнітного поля W~ ₀ H ² V / 2, де ₀ = 1,256 · 10 ^-6 гн / м - абсолютна магнітна проникність. Причому ця величина енергії практично не витрачається при силових взаємодіях з іншими Магнетика і зберігається завдяки постійному руху заряджених мікрочастинок речовини.

Позірна суперечність з законом збереження енергії ставить питання про джерело енергії магнітного поля. Таким джерелом є сама речовина магнітів, що володіє запасом магнітної енергії, який за рахунок процесів, що відбуваються на мікрорівні (атомів і молекул речовини), безперервно поповнюється, а точніше підтримується на незмінному рівні, якщо не брати до уваги чинників, що призводять до так званого старіння магнітів.

Відомий принцип зростання ентропії і перше і друге початку термодинаміки оперують з теплоенергетичними перетвореннями, які завжди (крім стану рівноваги) йдуть з витратою енергії при здійсненні будь-якої роботи, більшої за ту, яка становить саму виконану роботу, а частина витраченої енергії безповоротно перетворюється в теплову . Тому к.к.д. всіх відомих перетворювачів енергії завжди менше одиниці. Однак в мікросвіті діє інший процес: рух мікрочастинок обумовлено тепловою енергією - імпульс р руху мікрочастинок масою m ₁ визначається як р ² / 2m ₁ = (3/2) kT, де k - постійна Больцмана, Т - температура за шкалою Кельвіна, а зіткнення мікрочастинок між собою викликають теплові процеси - середовище нагрівається, тобто відбувається самовоспроизводящийся обмін енергією, при якому безпредметно говорити про теплові втрати, оскільки теплова енергія і є джерелом руху мікрочастинок, а це рух породжує саму теплову енергію. На підтримку хаотичного руху мікрочастинок і, отже, хаотичного розподілу магнітних моментів (спинив) в речовині, при якому воно не виявляє суттєвих магнітних властивостей, витрачається, очевидно, більше енергії, ніж для тих мікрочастинок, які мають впорядковане розташування їх магнітних моментів. Тому вивільнена в результаті упорядкування мікрочастинок (доменів) частина енергії якраз і становить енергію магнітного поля. Ця енергія самовосполняемая, що визначається природою процесів перетворення енергії на мікрорівні.

Проте залишається неясним питання, яким чином механічна робота, що здійснюються дією постійного магнітного поля на магнітні тіла або інші магніти, здійснюється без втрати енергії магнітного поля? Адже факт, що робота магнітних сил не призводить до зникнення намагніченості постійних магнітів. Робота здійснюється дією сил, зокрема магнітних сил.

Для феромагнетиків, що підкоряються закону Кюрі, існує так звана критична температура , При якій магнітна сприйнятливість стає порівнянної з одиницею або навіть стає меншою одиниці, і речовина стає з парамагнітного діамагнітним (закон Кюрі-Вейсса), тобто магнітна сприйнятливість залежить від дії різних факторів - температури, величини напруженості магнітного поля, механічного напруження і деяких інших .

Одним з цікавих властивостей феромагнітних матеріалів є їх так звана магнітна в'язкість магнітне післядія - відставання за часом намагніченості феромагнетика від зміни напруженості магнітного поля. У найбільш простих випадках зміна намагніченості J в залежності від часу t описується формулою

де J ₀ і J - Відповідно значення намагніченості безпосередньо після зміни напруженості Н магнітного поля в момент t = 0 і після встановлення нового рівноважного стану, - Константа, що характеризує швидкість процесу і звана постійної часу релаксації. значення залежить від природи магнітної в'язкості і в різних матеріалах може змінюватися від 10 ^-9 с до декількох десятків годин. У загальному випадку для опису процесу післядії одного значення недостатньо.

Розрізняють два види магнітної в'язкості: дифузний (ріхтерівських) і термо-флуктуаційний (іордановскій). У першому з них магнітна в'язкість визначається дифузією домішкових атомів або дефектів кристалічної структури. Пояснення ролі домішок було дано J.Snock, а більш сувора теорія побудована L.Neel і базується на припущенні про переважну дифузії домішкових атомів в ті міжатомні проміжки кристала, які певним чином орієнтовані щодо направлення спонтанної намагніченості. Це створює локальну наведену анізотропію, що приводить до стабілізації доменної структури. Тому після зміни магнітного поля нова доменна структура встановлюється не відразу, а після дифузного перерозподілу домішки, що і є причиною магнітної в'язкості. Теплові флуктуації сприяють подоланню доменними стінками енергетичних бар'єрів в магнітних полях, менших критичного поля. У висококоерцитивною сплавах, що складаються з однодоменних областей, спостерігається особливо велика магнітна в'язкість, так як в цьому випадку термічні флуктуації повідомляють додаткову енергію для незворотного обертання спонтанної намагніченості тих частинок, потенційна енергія яких в зовнішньому магнітному полі недостатня для їх перемагнічування. Крім цих основних механізмів магнітної в'язкості існують і інші. Наприклад, в деяких ферритах внесок магнітної в'язкості дає перерозподіл електронної щільності (дифузія електронів між іонами різної валентності). З магнітної в'язкістю тісно пов'язані такі явища в феромагнетиках, як втрати на перемагнічування, тимчасової спад відносної магнітної проникності (і її частотна залежність (див., Наприклад, Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С. В.Вонсовскій, Магнетизм, М ., 1971; Д.Д.Мішін, Магнітні матеріали, М., 1981).

Відомі властивості магнітної в'язкості ферромагнетиков лежать в основі заявляється технічного рішення. Крім самих цих відомих властивостей, немає в даний час будь-яких аналогів (прототипів) заявляється пропозицією, тому формула винаходу не містить обмежувальної частини.

Метою винаходу є отримання механічного коливального руху феромагнетика, що володіє необхідною магнітної в'язкістю і його зменшується відносної магнітної проникністю при збільшенні напруженості магнітного поля вище деякого критичного рівня.

Зазначена мета досягається в пристрої - магнітовязком маятнику, що містить постійний магніт і феромагнітний тіло, закріплене щодо постійного магніту, наприклад, на ковзної осі для руху з одним ступенем свободи в магнітному полі зі змінною магнітною індукцією уздовж зазначеної осі і пружно механічно пов'язане з постійним магнітом, наприклад, за допомогою пружини, закріпленої її кінцями відповідно з постійним магнітом і феромагнітним тілом, причому матеріал феромагнітного тіла обраний з постійною часу релаксації магнітної в'язкості, сумірною, наприклад, з однієї десятої періоду вільних коливань феромагнітного тіла, а напруженість поля в зазорі постійного магніту обрана переважно насичує для феромагнітного тіла.

Досягнення поставленої мети в заявляється технічному рішенні пояснюється безперервної енергетичної підкачкою пружних, в принципі згасаючих, коливань з боку магнітного поля постійного магніту зі змінною магнітною індукцією уздовж осі коливального руху феромагнітного тіла, яке має властивість магнітної в'язкості і зменшенням своєї відносної магнітної проникності при збільшенні напруженості магнітного поля, що перевищує деякий пороговий рівень, причому явище резонансу коливань феромагнітного тіла настає при виборі постійної релаксації у матеріалу феромагнітного тіла, яка відповідає періодом власних коливань пружинного маятника з заданими масою феромагнітного тіла і жорсткістю пружини. При проходженні феромагнітного тіла в магнітному полі, напруженість якого в даній області відповідає порогу магнітного насичення для обраного феромагнітного матеріалу, відбувається експоненціальне спад намагніченості феромагнітного тіла, що послаблює силове гальмування магнітним полем феромагнітного тіла і сприяє збільшенню його амплітуди коливань, а при знаходженні феромагнітного тіла в зонах зниженою напруженості магнітного поля (поблизу амплітудних значень поточної координати центру інерції феромагнітного тіла), навпаки, його відносна магнітна проникність експоненціально зростає, що призводить при зворотному такті руху феромагнітного тіла в напрямку градієнта магнітного поля до додаткового збільшення сили, яка додається до феромагнітного тіла, зі боку магнітного поля. При цьому важливою умовою для забезпечення резонансних коливань феромагнітного тіла (тобто умов досягнення максимуму амплітуди коливань) є вибір постійної релаксації матеріалу феромагнітного тіла, величина якої повинна бути порівнянна з періодом Т власних коливань пружинного маятника ~Т = (1/2 ) (m / k) ^1/2, де m - маса феромагнітного тіла (з урахуванням інших приєднаних мас), k - жорсткість пружини. Дотримання цієї умови створює можливість синфазной силовий «підкачки» коливань феромагнітного тіла в складі пружинного маятника.

Заявляється технічне рішення зрозуміло з представленого на кресленнях схемного і графічного матеріалу.

На фіг.1 представлений схематичний вигляд конструктивного виконання магніто-в'язкого маятника, що містить постійний магніт з північним 1 і південним 2 полюсами, феромагнітна тіло 3, закріплене на ковзної осі 4 і пов'язане з пружиною 5, інший кінець якої закріплений щодо постійного магніту, а змінна вздовж одного напрямку вісь 4 вільно пов'язана з направляючими втулками 6 і 7, закріпленими в постійному магніті, що є корпусом пристрою.

На фіг.2 і 3 представлені різні стану коливального руху феромагнітного тіла в різні моменти часу - в різних фазах його коливань.

	На фіг.4 і 4б представлені відповідно графіки залежності магнітної індукції В від напруженості Н магнітного поля, що діє на феромагнітний тіло, і залежність його відносної магнітної проникності (Магнітної сприйнятливості = -1) Від чинного в феромагнітному речовині значення напруженості Н магнітного поля без урахування магнітної в'язкості (крива Столєтова).
	На фіг.5 представлені епюри механічного коливання феромагнітного тіла (його центру інерції як матеріальної точки) уздовж обраного напрямку коливань, позначеного як вісь х (вісь ординат), в функції часу t (вісь абсцис), а й дії синфазной силовий «підкачки» коливального руху з боку магнітного поля постійного магніту на феромагнітний тіло з його змінюється в часі (з частотою коливань) відносної магнітної проникністю (T) за рахунок ефектів магнітної в'язкості і зазначеної вище залежності (Н), при якій (Н) / ( Н) · (dH / d | x |) <0.

ПРИНЦИП ДІЇ заявляється пристрою

Будемо вважати, що феромагнітний тіло 3 з ковзаючою віссю 4 (фіг.1) масою m з центром тяжкості, мають координату x ₀ = 0 в рівноважному невозмущенном стані, як зображено на фіг.1, де координатна вісь х збігається з ковзаючою віссю 4 пристрої , і уздовж цієї координати здійснюється рух матеріальної точки (центра ваги феромагнітного тіла 3 разом з ковзаючою віссю 4) з одним ступенем свободи, здійснює коливальний рух за участю діючих сил з боку пружини 5 і магнітного поля постійного магніту, утвореного між його полюсами 1 і 2 , поле між якими має напруженість Н _max, достатню для магнітного насичення феромагнітного речовини, що використовується в пристрої. У цьому полі в сталому режимі (тобто за проміжок часу порядку 2,2 від моменту включення магнітного поля) відносна магнітна проникність феромагнітної речовини падає до величини _min, як зазначено на фіг.4б. При цьому в магнітному полі напруженістю Н _min це феромагнітна речовина має = _max, як це випливає з графіків фіг.4.

Як відомо, якщо на матеріальну точку маси m діє центральна сила, пропорційна відхиленню точки (лінійна сила) F = - kx при k = const, що має місце в разі пружинного маятника, частота коливань з одним ступенем свободи (уздовж осі х) дорівнює ₀ = (k / m) ^1/2. Вважаючи силу тертя пропорційної швидкості руху матеріальної точки dx / dt, рівняння руху записується у вигляді:

де F (x, t) - сила, що діє на дане феромагнітна тіло як матеріальну точку з боку магнітного поля, що є функцією координати точки відносно її стійкого положення рівноваги в центрі між полюсами 1 і 2 постійного магніту і розглянута для коливального процесу в пружинному маятнику в як зовнішньої змушує сили.

При F (x, t) = 0 з (2) випливає, що коливання в пружинному маятнику є вільними і затухаючими. В одному з приватних рішень диференціального рівняння для вільних згасаючих коливань (а не апериодического процесу) інтегрування дає для а ² <4km наступне вираження для руху:

де 2m / a - постійна часу затухаючого коливання в системі, і коливання в ній відбуваються з частотою _f, яка дорівнює

з декрементом загасання

де Т - період коливання.

При вимушених коливаннях з зовнішньою силою F (x, t) 0, якщо вимушує силу прийняти змінюється за гармонійним законом, рівняння (2) має вигляд:

з приватним рішенням

x (t) = Х ₀ cos ( t- ), Де

де ₀ = (k / m) ^1/2 - власна частота вільних незгасаючих коливань точки.

При цьому х ₀ ( ) Представляє (амплитудную) резонансну криву хитається точки з максимумом при

Щоб виникли, наприклад, за допомогою певного впливу (поштовху) на пружинний маятник коливання безперервно підтримувалися на постійному рівні амплітуди, необхідно подіяти на таку механічну систему зовнішньої періодичної силою, що компенсує втрати, щоб декремент загасання в хитається системі дорівнював нулю, тобто = A · / _{f m} = 0. Відзначимо відразу, що якщо ці зовнішні сили будуть перевищувати необхідну величину, то це призведе лише до збільшення амплітуди коливань, які і в цьому випадку будуть незатухающими. і відзначимо, що розгляд чисто гармонійної зовнішньої сили в рівнянні (6) прийнято лише для спрощення розгляду принципу дії заявляється технічного рішення, а й можливо дію періодично повторюваних силових впливів, які представляють собою складне за спектром зовнішнє коливання, яке може бути розкладено в ряд Фур'є, і в цьому випадку можливе вирішення завдання шляхом зіставлення приватних рішень з окремими спектральними складовими такого зовнішнього коливання.

Без розкладання F (x, t) в ряд Фур'є отримують рішення в формі

Зокрема, зовнішня змушує періодична сила F (x, t) може носити імпульсний характер. Важливо лише, щоб ці дії, по-перше, заповнювали енергетичні втрати при коливанні ( = 0), по-друге, носили періодичний (з частотою коливань пружинного маятника) характер і, по-третє, були відповідно сфазіровани з положеннями рухомого феромагнітного тіла, що пояснюється на фіг.5.

Проаналізуємо, як виконуються ці вимоги в цьому пристрої.

Оскільки сила F (x, t) виникає саме внаслідок взаємодії феромагнітного тіла 3 з магнітним полем постійного магніту і це тіло здійснює коливальний рух в поле магнітних полюсів 1 і 2 і поза ними (тобто в значно ослабленому магнітному полі), то і самі сили , що виникають при цьому русі, носять строго періодичний характер. Так що це вимога (періодичності) дотримується автоматично, як в генераторі з коливальним контуром в режимі самозбудження.

Другий член диференціального рівняння (6) являє собою в фізичному сенсі силу тертя, тобто визначає втрати енергії при коливальному русі (в даному випадку втрати на тертя ковзної осі 4 в напрямних втулках 6 і 7, облік можливої ​​приєднаного навантаження і т.д.) , тому вимога = 0 означає, що енергія втрат за кожен період коливань, обумовлена ​​декрементом загасання, повинна компенсуватися енергією р ² / 2m з різницевим імпульсом р зовнішньої сили в кожному з напівперіодів коливання, рівним

різницевий середній імпульс зовнішньої сили магнітного поля за половину періоду коливання, оскільки такі імпульсивні дії виникають двічі за період Т, коли феромагнітна тіло виходить з магнітного зазору вгору і потім повертається в нього, рухаючись вниз, як це видно з фіг.2, після чого рухається вниз і знову повертається, як це видно на фіг.3. Відповідні часові фази коливання вказані на цих кресленнях (фіг.1-3). Інакше кажучи, необхідно дотримуватися умова «балансу амплітуд», яке нескладним перетворенням з урахуванням усереднення швидкості хитається точки за період із заданою амплітудою коливань X ₀ знаходиться в неявному вигляді з виразу:

Декремент загасання механічної системи визначається дослідним шляхом в кожному конкретному виконанні пристрою під час відсутності магнітного поля, маса феромагнітного тіла з іншими приєднаними до нього масами і частота коливань маятника і легко визначені у договорі. Тому другий з умов здійснення пристрою (про баланс амплітуд) виконується згідно (10) завданням відповідних вимог до властивостей феромагнітної речовини і магнітного поля постійного магніту.

З розгляду (10) видно, що інтеграли визначає різницевий середній імпульс сили. Отже, ці інтеграли задають середню силу дії магнітного поля на феромагнітний тіло за час Т / 2, протягом якого феромагнітна тіло зі свого стійкого положення рівноваги рухається вгору до амплітудного значення х = Хо і потім повертається у вихідне положення в центрі магнітного зазору постійного магніту. Ця сила дорівнює:

У тому випадку, якщо феромагнітна речовина не змінює своїх магнітних властивостей, тобто не враховуючи властивості магнітної в'язкості і зменшення відносної магнітної проникності при збільшенні напруженості магнітного поля, звичайно, ніякого підтримки коливального процесу в пристрої не відбувалося б, оскільки вектори сил від дії магнітної системи , прикладені до феромагнітної речовини, завжди спрямовані в бік центру тяжіння магнітної системи, тобто до координати х = 0, і за першу чверть періоду феромагнітна тіло, що рухається від положення рівноваги до свого амплітудному значенням, долає цю силу тяжіння, втрачаючи додатково (крім дії самої пружини!) свою кінетичну енергію, а за другу чверть періоду отримує назад цю ж порцію енергії, тому _F cp = 0, так як значення миттєвих сил для будь-якої з координат в проміжку 0 x Х ₀ як при русі феромагнітного тіла від центру, так і до центру, рівні між собою.

Інакше справа йде в разі спеціального вибору матеріалу для феромагнітного тіла в цьому пристрої. Звернувшись до фіг.4б, можна відзначити, що зміна відносної магнітної проникності феромагнітного речовини на спадаючої кривої (Н) з урахуванням дії магнітної в'язкості призводить в динаміці взаємодії феромагнітного тіла з магнітним полем, локалізованим між полюсами 1 і 2 постійного магніту, до різниці сил тяжіння феромагнітного тіла до центру тяжіння магнітної системи в одних і тих же координатних точках інтервалу 0 х Х _0. Дійсно, коли феромагнітна тіло під дією пружини проходить повз полюсів магніту, воно знижує свою магнітну сприйнятливість через насичення феромагнітного речовини в сильному магнітному полі, і йому легше покинути магнітну систему, ніж в разі, якби такого зниження магнітної сприйнятливості не відбувалося б. З іншого боку, коли тіло повертається зі свого амплітудного положення до центру магнітного тяжіння, воно встигає відновити величину своєї магнітної проникності, тобто збільшує свою магнітну сприйнятливість, в зв'язку з чим володіє великим, ніж в першому випадку, магнітним моментом і сильніше притягується на тих ж координатних точках до магнітної системі, що викликає додаткове прискорення такого руху. З цього випливає, що _F cp> 0. Точно така ж картина буде спостерігатися і в другій половині періоду коливання, коли феромагнітна тіло кинеться по інерції зверху вниз, стискаючи пружину перетворенням своєї кінетичної енергії у внутрішню енергію стиснутої пружини. В цьому і полягає фізичний механізм енергетичної підкачки коливної системи за рахунок властивості застосовуваного феромагнетика, що змінює свою магнітну сприйнятливість в неоднорідному магнітному полі. При цьому важливо мати таку величину магнітної в'язкості феромагнетика, яка узгоджувалася б з динамікою коливального руху феромагнітного тіла. Це призводить до формулювання останнього необхідного і достатнього умови підтримки в системі незгасаючих коливань - умові «балансу фаз», яке складається в сінфазірованіі силових імпульсів від дії магнітної системи на феромагнітний тіло при його русі. Це означає, що ці силові «добавки» з боку магнітного поля повинні виникати на етапі наближення феромагнітного тіла до центру тяжіння магнітної системи і, навпаки, магнітна система повинна послаблювати свій силовий вплив на феромагнітний тіло, що рухається від центру тяжіння. Ці процеси, так само як і періодичність дії сил магнітного поля на феромагнітний тіло, здійснюються автоматично, і питання полягає лише в їх ефективності. Для аналізу цього питання і необхідно розгляд динаміки прояви магнітної в'язкості, яка характеризується одним параметром - постійної часу релаксації, як це випливає з виразу (1). Якісне вирішення питання полягає в розгляді різних варіантів поведінки магнітної в'язкості в розглянутому пристрої. Так, якщо постійна часу істотно менше періоду механічних коливань пружинного маятника / Т <1, то феромагнітна речовина буде дуже швидко відновлювати значення своєї магнітної проникності при зміні магнітного поля, пов'язаного з рухом в ньому феромагнітного тіла, і відмінність сил в одних і тих же координатних точках траєкторії руху тіла від центру тяжіння і до нього буде незначним або його практично не буде зовсім, і тому необхідною підкачки коливається система не отримуватиме, і коливання в ній затухнуть. З іншого боку, якщо постійна релаксації буде у багато разів більше періоду коливань / Т> 1, то це буде означати практичну нездатність феромагнетика як-небудь помітно змінювати свою магнітну сприйнятливість в змінюваному по напруженості магнітному полі при заданій частоті коливань, тому і коливання в системі стануть затухаючими. Так що для забезпечення необхідної енергетичної підкачки необхідно, щоб величина постійної релаксації була жорстко узгоджена з періодом хитається механічної системи, тобто виникають вимоги до мінімальної і максимальної кордонів величин постійної релаксації, в межах яких можливе забезпечення незатухаючих механічних коливань в даній системі, тобто _min < < _max.

Таким чином, система проявляє порогові властивості по відношенню до вибору ферромагнетиков в необхідному діапазоні постійних релаксації. Якісно розглядаючи межі діапазону по , Можна вказати, що мінімальна межа _min визначається часом ефективної взаємодії феромагнітного тіла з магнітною системою, тобто часом пробігу довжини полюсів 1 і 2 постійного магніту, як це видно з фіг.1. Нехай довжина (по осі х) становить величину Х ₀ (частина від амплітуди коливань). Тоді при частоті коливань _f (див. вираз (4)) з урахуванням змінної швидкості хитається матеріальної точки - центра ваги феромагнітного тіла - уздовж осі х по гармонійному закону отримаємо час прольоту цієї точки всередині магнітної системи t ₁ = g ₁ ( , Х _0, ). У явному вигляді цей інтервал часу знаходиться інтегруванням і становить величину t ₁ = (Т / 2 ) arcsin . З огляду на час встановлення в експоненційному процесі як t _вуст = 2,2 , Приходимо до встановлення кордону _min = t ₁ / 2,2 = (0,45 / _f) arcsin .

Очевидно, що з тих самих міркувань максимальна межа по визначається часом перебування феромагнітного тіла в проміжку 2 (1 ) Х _0, і цей час t ₂ = g ₂ ( , Х _0, ) І одно t ₂ = 2 [(Т / 4) - t _1] = ( -2 arcsin ) / _f і тоді отримаємо для _max = ( -2 arcsin ) / 2,2 _f. В результаті такого аналізу отримуємо важливі для визначення конструкції пристрою відомості з аналізу відносини знайдених вище граничних значень постійних релаксації

Оскільки необхідно виконати вимогу _max / _min 1, то з цього випливає обмеження на величину відносної довжини магнітних полюсів системи (в порівнянні з амплітудою коливань), так що arcsin ( / 2) і, отже, величина повинна бути = L / X ₀ 1, де L - довжина полюсів 1 і 2 вздовж осі x. З отриманого умови можна зробити висновок, що амплітуда коливань і довжина полюсів магніту в граничному випадку можуть бути і однаковими, і при цьому центр ваги феромагнітного тіла в крайніх своїх положеннях (фіг.2 і 3) виходить за межі країв магнітних полюсів на половину їх довжини . При менших значеннях - Ще набагато далі.

Слід зауважити, що підбір феромагнетика з потрібним значенням може виявитися скрутним, тому що асортимент такого роду речовин з необхідними параметрами по магнітної в'язкості і крутизні падаючої частини характеристики / H не такі вже й багатий. Тому слід підібрати ферромагнетик з близькими до необхідних параметрами, а потім легко підлаштувати під них варійовані в експерименті параметри механічної системи - масу феромагнітного тіла, жорсткість пружини, величину магнітного поля, довжину магнітних полюсів і навіть просторове положення пристрою (в останньому випадку змінюється складова сили тяжіння маси феромагнітного тіла в гравітаційному полі, спроектована на вісь х), щоб відповідним чином змінити період коливань Т.

Вище була розглянута динаміка роботи системи в припущенні лінійності центральної сили, що діє на матеріальну точку (центр інерції рухомого об'єкту - феромагнітного тіла і ковзної осі), від величини зміщення х, і при цьому умовно передбачалося, що дія магнітного поля як пружного середовища пов'язане до властивостей пружини з якоїсь іншої її жорсткістю, більшою, ніж власна жорсткість пружини. Однак, строго кажучи, це не так, оскільки сила взаємодії магнітного поля з феромагнітним тілом, що володіє магнітним моментом M (x, t) як функції координат і часу з урахуванням динаміки руху його вздовж координати х, не є лінійною функцією зсуву феромагнітного тіла уздовж заданого напрямку, а і є функцією часу з урахуванням тимчасового характеру зміни відносної магнітної проникності через властивості магнітної в'язкості, тобто = F (x, t) при заданій частоті _f коливань. Отже, третій член лівої частини рівняння (6) замість члена kx повинен містити інше, більш складне вираз, що, в свою чергу, вплине на результат вирішення цього рівняння, зокрема на значення періоду коливань магнітовязкого маятника. Розрахунок такого роду складний і вимагає залучення відповідного математичного аналізу, проте не змінить якісно тих положень, які лежать в основі пояснення можливості підтримки безперервно в часі коливального руху феромагнітного тіла.

Цікаво і відзначити, що з умови (10) видно, що амплітуда коливань Х ₀ пов'язана із середнім значенням разностного імпульсу сили підкачки і величиною внесеного в систему механічного тертя. Ясно, що для збільшення амплітуди коливань, тобто для збільшення механічної енергії коливального руху W = m _f² X ₀^2/4 слід зменшувати тертя в хитається механічної системі, тобто зменшувати коефіцієнт а. У даній схемі (фіг.1) це стосується, головним чином, зменшення коефіцієнта тертя ковзної осі 4 в напрямних втулках 6 і 7. Крім того, тертя (втрати) виникає і в самій пружині.

Тому для зниження цих втрат можна ковзаючу вісь «закріпити» на магнітних подушках по її кінцях і зовсім усунути зі схеми пружину, оскільки сама магнітна система володіє необхідними пружними властивостями (правда, нелінійно залежать від величини зсуву по координаті х, що тільки позначиться на складанні і рішенні відповідного диференціального рівняння руху). При відсутності пружини 5 вісь 4 може бути виконана нерухомо закріпленої в тілі постійного магніту, а феромагнітна тіло 3 буде при цьому ковзати уздовж цієї осі при своєму коливальному русі, і в цьому випадку необхідно, по можливості, знизити коефіцієнт тертя ковзання цього тіла відносно осі. Допустимі і інші модифікації конструктивного виконання заявляється технічного рішення, в основі дії яких використовуються властивості магнітної в'язкості і падіння магнітної сприйнятливості феромагнетика зі збільшенням напруженості магнітного поля.

Загальна постановка задачі про знаходження миттєвих сил F (x, t) при русі феромагнітного тіла маси m з амплітудою і частотою коливань відповідно X ₀ і _f, з урахуванням заданого однорідного магнітного поля Н _мах між магнітними полюсами з їх відносною довжиною зводиться до інтегрування диференціалів сил, прикладених до диференціальних обсягами феромагнітного тіла (разбиваемого перетинами S, ортогональними осі х, на диференціальні обсяги dv = S dx), вздовж напрямку від х = 0 до х = Х _0, а потім до аналогічного інтегрування, але вже зворотнім шляхом - від х = X ₀ до х = 0. При цьому необхідно враховувати динаміку встановлення в розглянутих диференціальних обсягах феромагнітного тіла магнітної сприйнятливості як функції поточного значення напруженості поля Н (х), тимчасової процес встановлення (T) і миттєву швидкість руху даного диференціального обсягу, яка в зв'язку з нелінійним дією пружності магнітного поля змінить гармонійний характер руху в цілому феромагнітного тіла.

При цьому центром тяжіння магнітної системи в разі однорідності поля між полюсами 1 і 2 (фіг.1) постійного магніту слід приймати перетин при х = 0, тобто на середині між полюсами. Для кожного з розглянутих диференціальних обсягів слід обчислити їх поточний (міняється в часі при переміщенні по х-координаті) диференційний магнітний момент dM (x, t) = J (x, t) dv = SJ (x, t) dx з урахуванням виразу ( 1), після чого визначається відповідна диференціальна сила тяжіння даного диференціального обсягу феромагнітного тіла, що знаходиться на координаті х в магнітному полі з градієнтом Н / Х в даній координатної точці з виразу:

де J (x, t) - миттєве (залежне від координати) значення намагніченості даного диференціального обсягу феромагнітного тіла, що враховує вираз (1).

Після обчислення зазначених вище двох інтегралів виявиться, що перший з них більше другого на величину _TF cp / 2> 0, як це видно з формули (11), що виражає усереднену силу підкачки коливної системи, яка повинна бути більше усередненої сили тертя в механічній системі, враховує всі можливі втрати енергії в ній.

Наявність _F cp> 0 означає, що в систему з втратами вводиться «негативне опір», дія якого підтримує коливальний стан в системі на певній амплітуді коливань, враховуючи нелінійні властивості пружності магнітного поля по відношенню до феромагнітного тіла і те, що втрати на тертя вважаються лінійно пов'язаними з цією амплітудою, тобто зменшуються при зниженні амплітуди. У загальному випадку незгасаючі коливання в системі матимуть місце при виконанні умови, аналогічного умові (10).

Нарешті, слід зазначити, що механічна енергія коливального руху розглянутого пружинного (або іншого) маятника W = m _f² X ₀^2/4 не є тією енергією, яка «витягується» з взаємодії феромагнітного тіла з магнітним полем. Корисна отримується від такої взаємодії енергія дорівнює тій частці від загальної кінетичної енергії W, яка лише заповнює втрати в механічній системі, визначаються її декрементом загасання, тобто становить лише невелику частину W~ W. Однак, незважаючи на відносну малість цієї енергії, принципово важливим є те, що вона черпається з енергії магнітного поля постійного магніту і роботи мікрочастинок, що визначають властивості феромагнетика.

З отриманих даних випливає, що для практичної реалізації пропонованого магнітовязкого маятника необхідно мати справу з феромагнетиками з досить високою інерційністю встановлення відносної магнітної проникності при зміні напруженості магнітного поля. Так, для маятника з частотою коливань 5 Гц необхідно підібрати ферромагнетик з близько 17 мс, якщо вибрати = 0,707. При цьому і необхідно забезпечити умову, що ( (H) / H) (dH / dx) <0.

Однак, незважаючи на ці труднощі вибору підходящого феромагнетика, надзвичайно цікаво як з практичної, так і з наукової точок зору побудова такого пристрою, в якому «працюють» мікрочастинки речовини феромагнетика, що визначають його магнітну в'язкість, спільно із змінним в часі магнітним полем постійного магніту для рухається зворотно-поступально феромагнетика. Це коливальний рух задається пружинним механічним маятником, підтримується в формі незатухаючих коливань за рахунок роботи мікрочастинок речовини, а енергетичним джерелом такої силової підкачки виступає магнітне поле постійного магніту, тобто без застосування будь-яких зовнішніх джерел енергії. Абсолютно ясно, що для забезпечення умови балансу амплітуд досить при виконанні всіх необхідних умов фазового синхронізму і вибору відповідного матеріалу феромагнетика просто вибрати потрібну індукцію магнітного поля.

Заявляється технічне рішення є принципово новим, що не має аналогів в світовому приладобудуванні. Воно особливо цікаво тим, що дозволяє сподіватися, що прихована в постійних магнітах і феромагнітному речовині енергія може бути залучена для вирішення різних енергетичних проблем.

Демонстрація дії заявляється технічного рішення без підключених до нього зовнішніх джерел енергії змусить вчених-фізиків переосмислити деякі уявлення про фізику магнетизму і інших закономірностях, які належить відкрити для реалізації одвічної мрії людини - енергетичного достатку.

Заявляється технічне рішення може бути практично здійснено вже в даний час в тих організаціях, які займаються дослідженням феромагнітних речовин і їх фізикою, наприклад в Фізичному інституті РАН (Москва).

ДОПОВНЕННЯ ДО ЗАЯВИ «МАГНІТОВЯЗКІЙ МАЯТНИК»

Аналіз величини постійної релаксації магнітної в'язкості на основі усереднення граничних значень цієї величини як функції відносної довжини полюсів постійного магніту уздовж осі х коливального руху феромагнітного тіла (фіг.1) методом обчислення середнього арифметичного значення граничних величин (світла крива) і середнього геометричного цих величин _min і _max (темна крива на графіку) показав, що кращі значення величини в області практичних величин знаходяться в діапазоні значень 0,05 < <0,11. Тому автор у формулі винаходу вказав, що величина постійної часу релаксації магнітної в'язкості обраного феромагнітної речовини «порівнянна, наприклад, з однієї десятої періоду вільних коливань феромагнітного тіла», хоча конкретне значення цієї величини має вказаний розкид і уточнюється експериментально, наприклад зміною періоду коливань феромагнітного тіла для обраного феромагнітного матеріалу вибором параметра k жорсткості пружини або уточненням величини приєднаної маси феромагнітного тіла. Наведений в заявці приклад для = 0,707 відповідає екстремальному середньо-арифметичним значенням = 0,08518 Т (тобто відповідає ~Т / 12).

Відповідні дані обчислень середньої арифметичної і середньої геометричної величин ( ) Наведені в таблиці і на графіку (див. Фіг.6). Пунктирний прямокутник на графіку показана краща область обираних величин.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Магнітовязкій маятник, який містить постійний магніт і феромагнітний тіло, закріплене щодо постійного магніту, наприклад, на ковзної осі для руху з одним ступенем свободи в магнітному полі зі змінною магнітною індукцією уздовж зазначеної осі і пружно-механічно пов'язане з постійним магнітом, наприклад, за допомогою пружини , закріпленої її кінцями відповідно з постійним магнітом і феромагнітним тілом, причому матеріал феромагнітного тіла обраний з постійною часу релаксації магнітної в'язкості, сумірною, наприклад, з однієї десятої періоду вільних коливань феромагнітного тіла, а напруженість поля в зазорі постійного магніту обрана переважно насичує для феромагнітного тіла .

Версія для друку
Дата публікації 16.02.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів