Левитация в магнитном поле земли (стр. 1 )

  Главная

ЛЕВИТАЦИЯ  В  МАГНИТНОМ  ПОЛЕ  ЗЕМЛИ.

Автор ведет поиск новых направлений в технике, к которым относит и рассматриваемое пионерское направление - возможность использования магнитного поля Земли для левитации аппарата. Здесь предлагаются теоретическая статья «Левитация аппарата в магнитном поле Земли в пространстве над поверхностью Земли»  и инновационный проект «Организация левитации аппарата над поверхностью Земли с помощью земного магнитного поля»,  основанные на новой заявке автора № 000 (международная заявка РСТ/RU 2013/000900).

статья "ЛЕВИТАЦИЯ АППАРАТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ЗЕМЛИ В ПРОСТРАНСТВЕ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ",

  Рассмотрим левитацию летательного аппарата (далее – ЛА) в верхних слоях атмосферы Земли.

Известно, что в экспериментальной физике применяют магнитные насосы для повышения величины магнитного поля путем концентрирования магнитных силовых линий относительно слабого поля магнита-донора. Однако с физической точки зрения и Земля – точно такой же магнит, отличающийся лишь большими размерами. Поэтому здесь нет никаких физических ограничений на концентрирование магнитного поля Земли (далее – МПЗ). Конечно, МПЗ достаточно мало, поэтому требуется концентрация земного поля с больших площадей, однако это вполне реально физически и технически (разница лишь в масштабах конструкций).

Коротко отметим основные свойства магнитного поля.

Магнитный поток состоит из реально существующих нитеобразных элементов, называемых магнитными линиями. Каждая магнитная линия принципиально непрерывна, то есть всегда образует замкнутый контур. Магнитный поток в целом и, в частности, каждая входящая в его состав магнитная линия всегда и везде представляют собою принципиально замкнутые контуры, не имеющие ни начала, ни конца. Магнитные линии никоим способом не могут быть разрезаны или разорваны, и обнаружение их концов ни в каких процессах, происходящих в магнитном поле, невозможно. При этом магнитные линии в отношении их механических проявлений действительно аналогичны растянутым упругим нитям и обладают продольным тяжением по всей своей длине. Величина силы тяжения магнитных линий, отнесенной к единице поверхности, составляет

  (1)

Иначе, сила продольного тяжения магнитных линий, отнесенная к единице поверхности нормального сечения магнитного потока, численно выражается так же, как энергия магнитного потока, отнесенная к единице объема (см. книгу . Магнитный поток и его преобразования. М. Изд-во АН СССР, 1946, с. 77, 105, 114).

Сразу отметим, что магнитный поток, сцепляющийся с некоторым контуром, полностью состоящим из сверхпроводника, неизменно сохраняет свою величину и не может быть изменен никакими физическими воздействиями. Иначе, пучок магнитных линий, охватываемый сверхпроводящим контуром, как бы сковывается, и число магнитных линий в этом пучке сохраняется всегда одно и то же, то есть имеем магнитный поток Ф0

Ф0 = const        (2)

(см. там же, с. 254).

Расчеты электромагнитных сил через объемные плотности электромагнитных сил и натяжения, в частности, натяжения в магнитном поле,  с пространственным распределением тензора натяжений Т, имеют вид

        (3)

где –        нормальная составляющая натяжения магнитного поля;

       –        тангенциальная составляющая натяжения.

Если одна из этих составляющих равна нулю, то натяжение имеет только нормальную составляющую . Имеются и более сложные зависимости модуля натяжения в зависимости от угла ? между вектором индукции поля и нормалью . При этом модуль вектора натяжения Tn зависит только от относительной магнитной проницаемости ? и  модуля вектора индукции В и не зависит от направления вектора индукции. И модуль вектора натяжения . Причем формулы для тензора натяжения и вектора натяжения можно распространить и на постоянное магнитное поле от постоянных магнитов.

Через натяжения на поверхности S можно выразить силу, действующую на объем V

  (4)

Таким образом, натяжение магнитных силовых линий оказывает силовое воздействие на поверхности магнитной системы (см. книгу  -Смоленский. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. М. Высшая школа, 1989, с. 123-124, 135, 143-155).

Также магнитное поле обладает силой натяжения магнитных линий, причем при воздействии на это поле возникает искривление силовых линий, и соответствующая сила натяжения всегда оказывается направленной в сторону, противоположную искривлению силовой линии. И величина силы натяжения силовых линий равна

        (5)

и сразу заметим, что для данных условий МПЗ эта величина достаточно близка к величине градиента магнитного поля grad H2 / 8?, где Н – напряженность магнитного поля. Таким образом, при искривлении силовых линий магнитного поля возникает сила натяжения, стремящаяся вернуть силовые линии к исходному положению (см. книгу , . Физика плазмы для физиков. М. Атомиздат, 1979, с. 157-158, 216-217).

Таким образом, механические силы, действующие в магнитном поле, сводятся к натяжению Т вдоль поля и к давлению Р в перпендикулярном направлении. Натяжение и давление, отнесенные к единице площади, на которую они действуют, численно одинаковы и равны плотности магнитной энергии в среде

        (6)

(см. книгу . Общий курс физики. М. Наука, 1977, с. 301).

Рассматривая физический процесс в аналоге – левитации сверхпроводящего диска в постоянном магнитном поле, подчеркнем, что любое пространственное магнитное поле от магнита занимает большой объем пространства вокруг магнита, и это поле намного больше габаритов (площади) сверхпроводящих диска или пластины. И здесь также происходит смещение – спуск пластины диска из области слабого поля до области сильного поля магнита, обеспечивающей компенсацию гравитации – массы пластины за счет силы давления со стороны сильного магнитного поля. И при смещении – спуске диска из области слабого поля на большом расстоянии от магнита до области сильного поля на малом расстоянии также происходит смятие, сдавливание части магнитного поля под пластиной благодаря эффекту Мейснера у сверхпроводников. Собственно, физический процесс левитации сверхпроводящего диска под действием давления магнитного поля магнита аналогичен рассматриваемому, а разница лишь в масштабе систем и способе получения сильного поля.

Таким образом, использование сильного магнитного поля в виде сконцентрированного МПЗ вполне позволяет реализовать левитацию ЛА. И здесь захваченное деформированное МПЗ, сконцентрированное внутри сверхпроводящей оболочки, имеет силу натяжения, стремящуюся вернуть силовые линии поля в исходное положение. И эта сила натяжения компенсирует силу гравитации – вес ЛА, обеспечивая его левитацию.

Итак, деформированное магнитное поле Земли обладает силой натяжения магнитных линий, причем при воздействии на это поле возникает искривление силовых линий, и соответствующая сила натяжения всегда оказывается направленной в сторону, противоположную искривлению силовой линии. Причем эта сила натяжения стремится вернуть силовые линии к исходному положению и тем самым позволяет компенсировать силу гравитации – вес ЛА, обеспечивая его левитацию.

Подчеркнем, что для магнитных систем полностью выполняется теория подобия, позволяющая рассчитать вариант любой магнитной системы, отличающейся от известных лишь масштабом. В частности, геометрически подобные магниты имеют поля одинаковой конфигурации, если картина поля в теле магнита у них одинакова. Также, при увеличении всех размеров магнита в n раз напряженности полей в соответствующих точках остаются без изменения, а магнитный поток возрастает в n2 раз. Теория подобия магнитных систем позволяет спокойно относиться к сверхкрупным магнитным системам, к оценкам их характеристик.

Главный конструктивный элемент – сверхпроводящая оболочка, выполненная по геометрии (сечению) в форме трубы произвольной формы (задаваемой разработчиками). Рассмотрим конструкцию такой оболочки, с ее элементами и материалами.

Левитация требует надежного помещения сконцентрированного МПЗ в замкнутую оболочку и длительного удержания поля в этой оболочке. А это требует применения слоя сверхпроводящего материала по поверхности замкнутой оболочки. И главный конструктивный элемент – сверхпроводящая оболочка, выполненная по геометрии (сечению) в форме трубы произвольной формы (задаваемой разработчиками). Рассмотрим конструкцию такой оболочки, с ее элементами и материалами.

Для оценки характеристик  рассмотрим вариант традиционных сверхпроводников (с полным эффектом Мейснера), сочетания разных типов, для использования в замкнутой оболочке. Например, сочетание фольги из ниобия или технеция со сплавом 2 рода – ленты (разного состава). Учитывая необходимость длительной работы замкнутой оболочки, принимаем, что среднее рабочее поле внутри замкнутой оболочки равно НМ0 = 1000 э = 8 · 104 А/м. При этом среднее давление сконцентрированного поля внутри оболочки РМ0 = 4 · 103 Н/м2, а плотность энергии такого поля ?М0 = 4 · 103 Дж/м3.

Отметим, что выбор абсолютных значений площади оболочки зависит от реализуемых задач и определяется конкретными конструкциями левитирующего ЛА.