книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Тела, изготовленные из ферромагнитных материалов (железо, никель, кобальт и их сплавов), наиболее чувствительны к действию магнитного поля и реагируют на него изменением своих размеров (явление магнитострикции). Это пригодно для создания важных технических преимуществ в объектах изобретения.

Например, в изобретении а. с. 518219 на «Устройство для микро- инъекции жидкости», содержащее микропипетку с поршнем и гер- метизирующим затвором, а так же средство для нагрева поршня, устранялась причина отрыва капиллярного кончика микропипетки вследствие большого гидродинамического сопротивления кончика микропипетки проходу жидкости. Для этого поршень 5 предложено изготавливать из магнитострикционного материала, а средство для нагрева поршня снабдить катушкой индуктивности 6, подключённой к генератору тока ультразвуковой частоты 7.

Микроинъектор содержит: 1 — микропипетку; 2 — корпус; 3 — герметизирую- щийзатвор;4 —резервуардляжидкости;5 —поршень(расположенпоосимикро- пипетки); 6 — катушку индуктивности; 7 — ультразвуковой генератор тока; 8 — регулятор подачи тока в катушку.

Под действием индукционных токов поршень 5 нагревается и уве- личивается в объёме, а под действием меняющегося магнитного поля изменяет свои размеры с ультразвуковой частотой (вследствие маг- нитострикции). Ультразвуковые колебания размеров поршня 5 пере- даются жидкости (из условия кратности длины полуволны колебаний жидкости к длине цилиндрической части микропипетки), что и сни- жает гидродинамическое сопротивление капиллярного кончика ми- кропипетки 16 и позволяет уменьшить необходимое рабочее давле- ние для прохода жидкости через него, в результате чего исключается возможность отрыва капиллярного кончика микропипетки.

Магнитное поле длинного полосового (плоского) намагниченного бруска железа (рисунок на стр. 161) образовано внутренними упоря­

160

доченными в теле материала по- следовательностями элементарных круговых­ токов, содержащих эллип- соидные формы магнитных полей одного направления и величины, ко- торые,складываясь,формируютнедо- ступное нам внутреннее однородное поле, переходящее во внешнее неод- нородное магнитное поле.

В противоположность постоянным магнитам, подобное магнитное поле

можно создать и с помощью внешних упорядоченных круговыхтоков. Этому служит длинная цилиндрическая спираль из многих витков

проводника названная соленоидом (с греч. «трубкообразный»). Соленоид (рисунок слева)

представляет собой катушку ин- дуктивности (с лат. «наводить, побуждать») или катушку со свой- ством намагничиваться.

Магнитное поле внутри соле- ноида после сложения магнитных полей всех круговых витков тока

имеетоднонаправлениеивеличину,являясьпрактическиоднородным. Вовне соленоида форма магнитного полятождественна форме магнит- ного поля соответствующего плоского постоянного магнита. У солено- ида,так же как и у постоянного магнита,есть полюсные области на его концахинейтральнаязонавсреднейчасти.Магнитныесиловыелинии замкнуты без начала и конца.Вовне соленоида магнитные силовыели- ниинаправленыотсеверногокюжномуполюсу,авнутринего —отюж- ного к северному полюсу.В остальном соленоид стоком ведётсебятак- же как и пробный постоянный магнит (магнитная стрелка).

Витки проводника соленоида при прохождениитока взаимно при- тягиваются, и соленоид испытывает сжатие. После отключения тока соленоид упруго распрямляется до исходных размеров.

Важным отличием магнитного поля соленоида от магнитного поля постоянного магнита заключается в том, что его внутренняя полость доступна для втягивания или размещения разного рода тел называе- мых сердечниками или якорем.

Напряжённость однородного магнитного поля внутри соленоида прямо пропорциональна току в проводнике и не зависит от диаметра внутренней полости, но зависит от числа витков на длине соленоида

(H = k . I . n/L, где k = 0,4π = 1, 256 э, I —ток, n — число витков, L —длина соленоида).

161

Техническим преимуществом соленоида является возможность создавать внутри своей полости однородное магнитное поле любой напряжённости, в том числе и эталонное.

Цилиндр из железа втягивается во внутреннюю полость соленои- да независимо от направления тока в проводнике. На этом свойстве действуетустройство электромагнитной системы амперметров и воль- тметров, предназначенных для измерения переменного тока и напря- жения, а также устройство силового поступательного электропривода, электромагнита (соленоида с ферромагнитным сердечником).

Устройство «электропушки» работает на этом явлении. Она со- держит ствол из немагнитного материала, который помещён во вну- треннюю полость соленоида соединённого с источником тока. В стволе у одного конца соленоида располагается снаряд из железа. При кратковременном включении достаточно большого тока снаряд втягивается соленоидом вовнутрь ствола, где, набрав максималь- ную скорость в нейтральной зоне соленоида, вылетает по инерции из другого конца ствола.

Все железные предметы (и не только) в магнитном поле Земли (в геомагнитном поле) стечением времени намагничиваются,причём ввертикальномнаправлении,таккакнапряжённостьмагнитногополя Земли имеетв элементах земного магнетизма больше всего остально- го вертикальную составляющую. Встряхивания и удары способствуют процессу намагничивания. Резкие же изменения температуры и со- трясения уже намагниченных тел приводят к их размагничиванию.

В северном полушарии у железных предметов внизу образуется северный полюс, а вверху — южный. В южном полушарии наоборот: внизу южный полюс, а вверху — северный. Северный географический полюс Земли это фактически область южного полюса геомагнитного поля, куда входят магнитные силовые линии, вышедшие из области южного географического полюса (из области северного полюса гео- магнитного поля). Свойство железных тел к самопроизвольному на- магничиванию в геомагнитном поле используется в военномделедля обороны, например, при защите морских акваторий от вражеских су- дов с помощью установки магнитных минных заграждений. Для пре- одоления минных заграждений противника используют нейтрализа- цию магнитного поля судов и искусственные магнитные устройства, инициирующие ввод в действие механизмов магнитных мин.

Внесение ферромагнитного сердечника во внутреннюю полость соленоида,когда вселинии магнитного поля проходятчерез вещество сердечника, многократно увеличивает (в 5–6 тысяч раз) магнитный поток соленоида.

Отношение магнитного потока соленоида с ферромагнитным сер- дечником к магнитному потоку соленоида без сердечника характе-

162

ризует магнитные свойства вещества сердечника, названное магнит- ной проницаемостью (μ = Ф/Ф0). Магнитная проницаемость подобна электрической проницаемости диэлектриков, многократно увеличи- вающей ёмкость конденсаторов.Усиление внешнего магнитного поля соленоида обусловлено намагничиванием ферромагнитного сердеч- ника и сложением магнитных потоков созданных током соленоида и элементарными круговыми токами вещества сердечника. Магнит- ная проницаемость вакуума принята равной 1. Магнитная проницае- мость всех веществ отлична от 1, и является постоянной величиной. Больше единицы у парамагнитных веществ (увеличивающих магнит- ный поток), меньше единицы — у диамагнитных веществ (уменьша- ющих магнитный поток). Незначительное отличие от единицы маг- нитной проницаемости у неферромагнитных материалов указывает на малую величину добавочного магнитного потока от элементарных круговых токов вещества такого сердечника.

Всильных магнитных полях значение μ у ферромагнитных ве- ществ падает до нескольких сотен.

Вслабых магнитных полях у стали μ = 8 000, у сплава никеля с же-

лезом μ = 250000.

Это является основой технических преимуществ в устройствах Электротехники.

К распространённым устройствам Электротехники относят элек- тромагниты. Это многовитковый соленоид, напряжённость магнит- ного поля которого можно увеличитьв несколькотысяч раз,размещая внутри него ферромагнитный сердечник.

До магнитного насыщения вещества сердечника магнитные поля соленоида и сердечника складываются.После магнитного насыщения рост напряжённости магнитного поля происходит за счёт увеличения тока в проводнике соленоида.Для устранения вихревыхтоков сердеч- ник изготавливают из набора тонких изолированных пластин.

Всильных магнитных полях магнитная проницаемость вещества сердечника падает и он становиться практически бесполезным. Поэ- тому самые мощные электромагниты изготавливаются без ферромаг- нитного сердечника. Сильные магнитные поля создаются с помощью большихтоков за оченькороткое время,чтобы не успевала перегреть- ся обмотка соленоида (метод П. Капицы). Для создания длительных по времени сильных магнитных полей в качестве проводников у со- леноида применяют сверхпроводящие материалы.

Мощные электромагниты с огромной площадью полюсов приме- няются в ускорителях заряженных частиц. Электромагниты приме- няют для создания механических усилий, для магнитной сепарации железных руд. Электромагниты с большой подъёмной силой и боль- шой поверхностью соприкосновения полюсов магнита с притяги-

163

ваемым железным материалом применяют в металлургии и на ме- таллообрабатывающих предприятиях для переноски лома и готовых изделий.Устройство электромагнита естьв электромагнитных плитах и электромагнитных стволах металлообрабатывающих станков для закрепления железных деталей. На применении электромагнитов действуют устройства реле, контакторов силовых цепей и магнитных пускателей.

В изобретении а. с. 821378 на «Электромагнитный вакуумный за- хват» для транспортирования различных предметов источник вакуу- ма выполнен в виде подпружиненного якоря 6, установленного в по- лости электромагнита 2 и сообщённого с полостью вакуумной камеры с помощью манжеты 4 (рисунок слева).

При опускании захвата на транс- портируемый предмет манжета 4 уплотняет зону захвата на по- верхности предмета. При включе- нии электропитания электромагнит 2 притягивает предмет из магнит- ных материалов и, одновременно, втягивает вовнутрь себя якорь 6, деформируя манжету 4 и создавая в зоне захвата вакуум, увеличиваю- щий подъёмную силу устройства. При транспортировании предметов из немагнитных материалов, для их захвата используется только сила ва- куумного присасывания предмета, создаваемая при втягивании якоря 6 в полость электромагнита 2.

При намагничивании магнитом парамагнитного или ферромаг- нитного тела, оно притягивается к намагничивающему магниту (об- разуются разноимённые полюса).При намагничивании магнитомди- амагнитного тела, оно отталкивается от намагничивающего магнита (образуются одноимённые полюса).

ПритемпературевышеточкиКюримагнитнаяпроницаемостьвсех ферромагнитных материалов резко падаетк 1,онитеряютмагнитные свойства и становятся парамагнитными. У железа точка Кюри 7700 С, у никеля 3600 С, у кобальта 1130 0 С.

Намагничивание в нормальных условиях зависит от магнитной проницаемости вещества μ и величины потока магнитного поля, в котором производится намагничивание. Характеристиками фер- ромагнитных материалов является магнитное насыщение (величина напряжённости внешнего магнитного поля в конце намагничива-

164

ния), остаточное намагничивание (намагничивание после обнуления внешнего магнитного поля) и коэрцитивная сила (величина напря- жённости размагничивающего внешнего магнитного поля). Кривая процесса намагничивания и размагничивания называется петлёй ги- стерезиса, и обусловлена доменным намагничиванием ферромагнит- ных материалов.

Для постоянных магнитов необходимы материалы с большой ко- эрцитивной силой и с широкой петлёй гистерезиса (сталь, специаль- ные сорта кобальтовой стали — магнитотвёрдые). Для электрических машин и трансформаторов нужны материалы с узкой петлёй гистере- зиса, например из мягкого железа (магнитомягкие).

В изобретении а. с. 518591 на «Мальтийский механизм», содержа- щем ведущее звено с поводком и взаимодействующий с поводком ведомое звено (мальтийский крест), для преобразования непрерыв- ного вращательного движения в прерывистое движение, устранялась причина повышенного износа взаимодействующих звеньев, которая сокращала срок службы механизма. Причиной являлось контактное трение между поводком ведущего звена и боковыми поверхностями пазов креста, возникающее в результате их непосредственного, без зазора, контакта при передаче движения, что создавало повышенный уровень шума при работе механизма.

Мальтийский механизм содержит: 1 — ведущую ось; 2 — ведомую ось; 3 — немагнитную пару дисков (правый и левый); 4 — немагнитный сектор; 5 –сек- торы из магнитомягкого материала, снабжённые постоянными магнитами 6 с че- редующейполярностью;7 —мальтийскийкрест;8 —пластиныиз гистерезисного материала.

Предложено перейти к противоположному взаимодействию зве- ньев — к бесконтактной (с зазором) передаче движения от поверхно- сти поводка ведущего звена к боковой поверхности паза мальтийско- го креста.

165

Для этого ведущее звено механизма снабжено секторами 5 из маг- нитомягкого материала с установленными в них постоянными маг- нитами 6 (с чередующей полярностью), а мальтийский крест 7 снаб- жён пластинами 8 из гистерезисного материала (магнитотвёрдого), например, из сплава викаллой — сплав из 53 % кобальта, 14 % ванадия и остальное железо.

Постоянные магниты 6 в секторах 5 взаимодействуют с пластинами 8 из гистерезисного материала и с помощью магнитного потока (без контакта) передают движение от ведущей оси 1 к ведомой оси 2. Сек- тор 4 обеспечивает требуемое время простоя мальтийского креста 7.

Техническое преимущество в устройстве мальтийского механизма достигнуто требуемым взаимодействием ферромагнитных материа- лов, имеющих противоположные качества одного рода.

К материалам с уникальными свойствами относят ферромагнит- ные жидкости.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидный рас- твор из ферромагнитных нано — размерных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости (органическом раство- рителе или воде) с добавлением поверхностно — активных веществ (ПАВ), препятствующих их слипанию.

Ферромагнитныежидкостинепроявля- ютферромагнитныхсвойств,таккакнесо- храняютостаточнуюнамагниченностьпо- сле исчезновения внешнего магнитного поля, и являются парамагнетиками, силь- но поляризующимися в присутствии маг- нитного поля (рисунок слева).

Ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей тем- пературе Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнит- ных частиц, ПАВ и несущей жидкости.

В изобретении а. с. 568598 на «Способ получения феррожидкости» увеличение намагниченности насыщения феррожидкости достига- лось тем, что магнетит осаждают из растворов солей двух- и трехва- лентного железа при избытке двухвалентного железа (до 10 %) рас- твором аммиака с последующей промывкой водой и оформлением коллоидного раствора феррожидкости.

Наибольшее применение ферромагнитная жидкость получила в магнитных жидкостных уплотнениях (МЖУ),чем достигнуто техни- ческое преимущество по сравнению с другими устройствами уплот- нений.

166

В изобретении а. с. 773353 на «Магнитно-жидкостное уплотнение вращающегося вала» (рисунок справа) полюсные наконечники 1 вы- полнены из магнитотвёрдого материала и имеют радиальное намаг- ничивание,а зазор между валом и полюсными наконечниками запол- нен ферромагнитной жидкостью 5, создающей уплотнение.

М–Ж уплотнение содержит: 1 — наконечник; 2 — корпус; 3 — прокладку; 4 — вал; 5 — ферромагнитную жидкость.

Ферромагнитная жидкость при- мененавкачествеосновырадиопо- глощающего покрытия в авиации, что позволило снизить отраже- ние электромагнитных волн с по- верхности летательного аппарата и уменьшить его эффективную площадь рассеяния.

Созданы также и магнитнореологические жидкости (жидкости с ферромагнитными частицами на несколько порядков большего раз- мера, чем у ферромагнитных жидкостей), которые подобно ферро- магнитным жидкостям твердеют в магнитном поле, и в зависимости от напряжённости магнитного поля меняют свою плотность, что при- меняется в подвесках автомобилей, делая её мгновенно то жёсткой, то мягкой.

Визобретении а. с. 1051026 на «Вакуумный захват» используемый

впромышленных роботах средство для создания вакуума выполнено

ввиде вставки 2 со сквозными капиллярами 3, заполненными ферро- магнитной жидкостью 4 (рисунок ниже).

Капилляры 3 сообщены с полостью вакуумной камеры, располо- женной под эластичной манжетой 7. Движение ферромагниттной жидкости в капиллярных каналах 3 управляется с помощью обмотки

ное поле втягивает ферромагнит- ную жидкость из капиллярных ка- налов 3 в полость корпуса 1 и,таким образом, создаёт разрежение в по- лости вакуумной камеры, находя- щейся под эластичной манжетой 7.

167

Разрежение достаточно для схватывания транспортируемой детали. Отпусканиетранспортируемой детали осуществляется путём переме- щения ферромагнитной жидкости в исходное положение за счёт из- менения направления магнитного поля или поддействием атмосфер- ного давления при отключении питания электромагнита 6.

Силы взаимодействия магнитного поля и движущихся зарядов

Силы Лоренца (голландский физик, 1853–1928 гг.) это силы, ко- торыми магнитное поле действует исключительно на движущие- ся заряды (электроны и ионы), составляющие электрический ток, они не действуют на материал проводника, в котором ток течёт. На- пример, катодный (электронный) луч это поток быстро движущих к аноду электронов. Катодный луч, помещённый в магнитное поле, испытывает действие сил Лоренца.

СилаЛоренца,действующаянакаждый электрон(рисунокслева),перпендикуляр- на к направлению движения электрона

ик направлению напряжённости магнит- ного поля.

Катодные лучи не заключены в такуюто проводниковую оболочку (материал)

исвободно движутся в вакууме к аноду,

врезультате чего такой поток электро- нов в магнитном поле испытывает толь- ко смещение от сил Лоренца по правилу левой руки, что не может привести к об- разованию электрической разности по- тенциалов.

Движение проводника обусловлено ударами движущихся свобод- ных зарядов, смещаемые силами Лоренца, по атомам и молекулам вещества проводника, что толкает и увлекает их в направлении дей- ствия сил Лоренца.Подобноетрение (или вязкость) между движущи- мися заряженными и незаряженными частицами, составляющими каркас вещества проводника, приводит в движение всю массу про- водника.

Если ток испытывает помехи в своём движении по проводнику в направлении электрического поля, то это не вызывает движение всего проводника,так как это движение направлено вдоль проводни- ка. В магнитном поле под действием сил Лоренца поток движущихся свободных зарядов испытывает смещение в направлении действия

168

этих сил, которое передаётся всему проводнику, заставляя его дви- гаться в том же направлении.

В сверхпроводниках, где нет практически сопротивления, движу- щийся поток свободных зарядов, помещённый в магнитное поле, бу- дет испытывать смещение под действием сил Лоренца и, тем самым, сталкиватьсясатомамиимолекуламисверхпроводника,заставляяего двигатьсявтомженаправлении,ослабляяприэтомегосверхпроводя- щие свойства.Самой малой частицей,с помощью которой приводятся

вдвижение проводники в целом, является электрон. Масса электрона меньше массы атома самого лёгкого вещества — водорода, в 1835 раз. Масса электрона 9,1 x 10–28 грамм, а единичный заряд его равен 1,6 x 10–19 кулон. Радиус элементарного кругового тока, совершаемого электроном, определяется размерами атома вещества проводника.

Элементарный круговой ток, полученный вращением связанного электрона вокруг ядра атома,и свободно блуждающий электрон —это конечные и бесконечно малые материальные единицы. Но, только с помощью бесчисленного множества таких единиц создаются значи- тельные силы.

Силы Лоренца используются в электроннолучевых трубках, уско- рителях заряженных частиц, а так же для объяснения «полярных сияний».

Явление трения важно тем, что составляет функциональную осно- ву устройств электрическихдвигателей и генераторов электрического тока.

Силовая линия магнитного поля это продолжение в пространстве последовательности элементарных эллипсоидных магнитных полей, созданных множеством параллельных элементарных круговых токов

ввеществе магнита. Малый отрезок такой магнитной силовой линии подобен линейному бесконечно тонкому элементарному магнитику.

Дисковое магнитное поле определённого направления вокругдви- жущегося элементарного электрического заряда это бесконечно тон- кий виток магнитного поля без начала и конца.

Взаимодействием этих видов магнитных полей обусловлено воз- никновение механических сил притяжения и отталкивания магнита и проводника с током.

Если бесконечно тонкий элементарный магнитик пронизывает элементарный бесконечно тонкий виток магнитного поля, то взаи- модействие между ними не происходит, они находятся вне действия друг друга и потому действующая сила равна нулю. Направление магнитного поля и направление электрического поля или тока лежат на одной линии, исключающее их взаимодействие.

Еслибесконечнотонкийэлементарныймагнитикпринадлежитили лежит на элементарном бесконечно тонком витке магнитного поля,

169