Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов

Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в процессе освоения космического пространства.

Как известно, управление траекторией космического аппарата осуществляется в основном с помощью энергии химического топлива, что требует больших затрат, связанных с доставкой его на аппарат. Поэтому настоятельной необходимостью является поиск нового способа создания силы (импульса силы) для управления такими аппаратами, позволяющего в какой-то степени снизить эти затраты за счет использования электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями. Такой способ излагается в настоящем описании.

Способ разработан с помощью расчетов сил электромагнитного взаимодействия электрических зарядов, основанных на общеизвестной теории электромагнетизма, излагаемой в учебниках по физике для средней школы, вузов и в другой литературе. В процессе разработки использовались следующие неоспоримые положения этой теории:

- на обкладках заряженного электрического конденсатора находятся разноименные электрические заряды [И.В.Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 71]. Если после зарядки конденсатора эти обкладки электрически изолировать друг от друга, то в условиях космического пространства заряды останутся на них. Такое же положение сохранится и после того, как такие обкладки будут разведены на какое-то расстояние друг от друга;

- источником магнитного поля являются движущиеся электрически заряженные тела [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 99]. Тогда при движении зарядов, расположенных на обкладках, возникнут магнитные поля. Такие поля отличаются от полей замкнутых контуров с током. Это обусловлено тем, что поля контуров в какой-либо момент времени определяются величиной одного и того же тока, одновременно протекающего по всем участкам контура в то время, как поле движущего заряда в заданный момент определяется величиной скорости его движения в той точке траектории, в которой он находится. Указанные поля движущихся зарядов будут действовать на расположенные рядом проводники с током;

- электрический тороид практически не имеет внешнего магнитного поля [И.В.Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 110], поэтому он не будет оказывать действия на движущиеся рядом с ним заряды.

Эти фундаментальные основы теории электромагнетизма позволили поставить вопрос о том, какие силы электромагнитного взаимодействия возникнут на витках тороида с током при попадании его в поля движущихся заряженных тел или нельзя ли так организовать их взаимодействие, чтобы какая-нибудь одна проекция суммы этих сил на оси трехмерной системы координат постоянно действовала в каком-либо одном и том же направлении.

Для ответа на этот вопрос были проведены расчеты указанных сил. В целях их упрощения было принято, что заряды, находящиеся на обкладках конденсатора, сосредоточены в их центрах. Величины зарядов на обкладках конденсатора определялись с помощью [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 69-71]. Для расчета магнитного поля движущихся зарядов траектория движения обкладок со скоростью V разбивалась на малые прямолинейные участки, ток на которых определялся в соответствии с [И.В.Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 82]. Магнитное поле в момент прохождения какого-либо участка рассчитывалось с помощью известной формулы закона Био-Савара [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 101-104].

Для расчета сил, действующих на витки тороида (сил Ампера), использовались известные выражения, приведенные в [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 120-122].

Указанные расчеты проводились с помощью компьютерной программы, подробно изложенной в статье [Фортов В.В. Некоторые особенности электромагнитного взаимодействия электрических контуров с током. Ж. РАН «Электричество», №6, 2005 г.]. Программа позволяла рассчитывать трехмерное магнитное поле, создаваемое электрическим контуром произвольной формы, и силы, действующие на любой контур с током, помещенный в это поле. Она была досконально проверена на известных случаях взаимодействия, и получаемые с ее помощью результаты соответствовали всем положениям существующей теории электромагнетизма, изложенной в указанной выше литературе. Результаты расчетов приведены на фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображена схема размещения заряженных обкладок плоского конденсатора 1, вращающихся вокруг оси 2 в непосредственной близости к неподвижному тороиду 3 с током J_T, тем самым вызывающих взаимодействие магнитного поля обкладок с этим тороидом. Расположение разноименных зарядов на обкладках показано с помощью кружочков с соответствующими знаками внутри. Пунктиром показаны траектории их движения с постоянной линейной скоростью V. Там же показаны направления токов J, создаваемых движущимися зарядами, определенные в соответствии с [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М., 1964, стр. 82]. Угол поворота стержня 4, на котором расположены обкладки, обозначен буквой β.

Кроме того, пунктирными линиями, перпендикулярными траектории движения обкладок, изображены отдельные линии магнитной индукции В магнитного поля движущихся зарядов, расположенных на обкладках.

На фиг. 2 в относительном виде приведены результаты расчетов силы, действующей на все витки тороида 3 с постоянным током J_T параллельно оси OZ P_ZT, силы, действующей на заряды P_ZS на обкладках, а также импульса суммы этих сил за время движения обкладок вблизи тороида 3 Jmpz. Отсюда видно, что величина Jmpz равна нулю.

Очевидно, что для того, чтобы получить неравную нулю величину Jmpz, необходимо в моменты, когда сила P_ZT начинает действовать в направлении, противоположном заданному, изменять направление тока J_T в тороиде 3. В данном случае заданным направлением является направление, противоположное направлению оси OZ. Результат таких изменений представлен на фиг. 3. Отсюда видно, что при выполнении этого условия импульс Jmpz не равен нулю.

В итоге, проведенные расчеты показали, что путем организации взаимодействий движущихся электрически изолированных заряженных обкладок и практически не имеющих внешнего магнитного поля намоток проводника с током на кольцевые сердечники, а также при соответствующем управлении направлением тока в намотках, возможно получение импульса суммарной силы, действующей в заданном направлении. Это обусловлено, прежде всего, тем, что магнитное поле движущихся заряженных обкладок действует на проводник тороида, а практически отсутствующее поле тороида не действует на заряды на обкладках.

Способ получения указанного импульса заключается в следующем. Вначале производят зарядку электрического конденсатора, затем прерывают электрическую связь между его обкладками. После этого разводят обкладки конденсатора на определенное удаление друг от друга и придают им движение по траектории, вблизи которой располагают практически не имеющие внешнего магнитного поля намотки проводника с током на кольцевые сердечники. В случае, когда обкладки движутся по окружности (см. фиг. 1), намотки располагают тоже по окружности с тем же центром. Таким образом, осуществляют взаимодействия поля движущихся заряженных обкладок электрического конденсатора и намоток проводника с током, которые во время движения обкладок поочередно попадают в область магнитного поля обкладок наибольшей напряженности.

При этом добиваются постоянного действия в заданном направлении какой-либо одной из проекций суммы всех сил, возникающих на витках намоток, на оси трехмерной системы координат с помощью изменения направления токов в намотках в тех случаях, когда в процессе указанных взаимодействий эта проекция меняет свое направления в сторону, противоположную заданной.

Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов, заключающийся в том, что приводят в движение электрически изолированные заряженные обкладки электрического конденсатора, находящиеся на определенном удалении друг от друга, тем самым вызывая появление магнитных полей и осуществляя взаимодействия этих полей с расположенными в непосредственной близости к траектории движения обкладок намотками проводника с током на кольцевые сердечники, практически не имеющими внешнего магнитного поля; при этом добиваются постоянного действия в заданном направлении какой-либо одной из проекций суммы сил, возникающих на витках намоток, на оси трехмерной системы координат с помощью изменения направления токов в намотках в тех случаях, когда в процессе указанных взаимодействий эта проекция меняет свое направление в сторону, противоположную заданной.