Статья: Способ исследования динамической несимметрии магнитокалорического эффекта

Поскольку при работе ферромагнитовязкого двигателя энергия постоянного магнита, например, на основе соединения SmCo3 не расходуется, то в силу закона сохранения и превращения энергии генерируемая двигателем механическая работа должна черпаться от какого-то иного (не магнитного) источника энергии. Таковыми могут быть названы два - тепловая энергия внешней среды, но тогда при вращении ферромагнитное кольцо должно охлаждаться, чтобы получать энергию в механизме теплопроводности, либо энергия должна поступать в какой-то не ясной форме из «вакуумного поля», например, при каталитическом действии насыщающего магнитного поля. Оба этих процесса представляют научный интерес, для чего и предлагается заявляемый способ, с помощью которого можно проводить исследования и строить соответствующие физические гипотезы и теоретические описания. Поскольку в данное время наука ещё не открыла принципов извлечения энергии из «вакуумного поля», и такие работы только поставлены наукой, в частности, в связи с открытием бозонов Хиггса, населяющих окружающее нас пространство («вакуумное поле»), следует полагать вероятным процесс извлечения энергии из теплоты внешней среды, например, из водных бассейнов, где сосредоточены колоссальные запасы тепловой энергии, непрерывно восполняемой солнечной радиацией. Но в этом случае необходимо исследовать несимметрию магнитокалорического эффекта в динамике взаимодействия движущегося ферромагнитного вещества с пространственно локализованным насыщающим магнитным полем.

Пусть в исходном состоянии ферромагнетик с удельной теплоёмкостью сО и массой m. находящийся в каждый произвольный момент времени внутри магнитного зазора с насыщающим магнитным полем, где m = ρ S L (ρ - плотность ферровещества), при начальной температуре TO . При попадании ферромагнитного вещества в насыщающее магнитное поле, как известно, под действием фазового перехода первого рода удельная теплоёмкость ферровещества снижается до величины сН < сО, что в адиабатическом процессе приводит к высвобождению внутренней (тепловой) энергии для массы покоя, равной ∆Q = m TO (сО - сН ), и эта высвобождающаяся энергия приводит к нагреванию массы m ферромагнетика в статике до температуры Т1 = (сО / сН) ТО. Легко показать, что при выходе ферровещества из насыщающего магнитного поля в статике соблюдается равенство сН m T1 = сО m T2 , откуда для Т2 имеем T2 = сН m T1 / сО m = (сН сО / сО сН) ТО = TО. Однако в динамике возможен процесс, при котором часть выделяющейся тепловой энергии ∆Q расходуется не только на нагревание ферровещества, но и на создание механической работы ∆WМЕХ под действием возникающей втягивающей силы F(ω) от взаимодействия неравномерно намагниченного ферромагнетика и насыщающего магнитного поля. Тогда приходим к выражению

сО m TO = ∆WМЕХ + сН m T1*,

и при этом, естественно, T1* < T1. В этом случае

∆WМЕХ = сН m (T1 - T1*),

а температура ферроматериала массы m после снятия насыщающего магнитного поля вычисляется из уравнения

сН m T1* = сО m T2*,

откуда T2* = сН m T1* / сО m = (сН / сО) (сО m TO - ∆WМЕХ ) / сО m = (сН / сО)* *(1 - ∆WМЕХ / сО m ТО) ТО. П

ри этом температура размагниченного ферровещества T2* оказывается меньше его исходной температуры ТО на величину разности ∆T = T2* - ТО = ТО [(сН / / сО) (1 - ∆WМЕХ / сО m ТО) - 1] < 0, поскольку сН / сО < 1 и также ∆WМЕХ / сО m ТО < 1, а произведение двух чисел, меньших единицы, также меньше единицы. Отсюда видно, что температура вращающегося ферромагнитного кольца оказывается ниже его исходной температуры, то есть, действительно, имеем неравенство ТВН > ТСРЕД. Это, в свою очередь, указывает на динамическую несимметрию магнитокалорического эффекта.

Максимум механической работы Мах ∆WМЕХ, получаемой от массы m ферроматериала в течение времени ∆t = L / ω R взаимодействия этой массы с насыщающим магнитным полем в магнитном зазоре длиной L соответствует случаю, когда T1* = ТО, и при этом

∆Q* = сН m* *[(сО / сН) - 1] ТО = (сО - сН) m ТО = Мах ∆WМЕХ.

Из этого выражения видно, что для более эффективной работы ферромагнитовязкого двигателя следует использовать ферроматериалы с увеличенной разностью удельных теплоёмкостей, отвечающих нормальному (ненамагниченному) состоянию и состоянию после фазового перехода первого рода, то есть следует стремиться использовать ферромагнетики с большим отношением сО / сН. Поскольку парциальная механическая работа ∆WМЕХ совершается в течение времени ∆t, можно считать, что мощность ферромагнитовязкого двигателя Р(ω*)Q, реализуемая только от действия тепловой энергии внешней среды, равна

Р(ω*)Q = ∆WМЕХ / ∆t = η (сО - сН) m ТО ω R / L,

где η - коэффициент полезного действия, определяемый выражением

η = сН m (T1 - T1*) / (сО - сН) m ТО.

Учитывая, что T1 = (сО / сН) ТО, для значения к.п.д. получим

η = [сО - сН (T1*/ТО)] / (сО - сН).

Видно, что при изменении температуры T1* в диапазоне Т1 ≤ T1* ≤ ТО имеем изменение к.п.д. в диапазоне 0 ≤ η ≤ 1. Поскольку m = ρ S L, для мощности Р(ω*)Q получаем окончательное выражение с учётом того, что вращение осуществляется с угловой скоростью ω = ω*, соответствующей максимуму силы Мах F(ω), указанной в выражении (4):

Р(ω)Q = ρ [сО - сН (T1*/ТО)] ТО ω R S . (9)

Поскольку мощность вращательного движения есть произведение вращательного момента на угловую скорость вращения, то легко понять, что вращательный момент МQ, связанный с тепловым действием внешней среды, согласно (9) равен отношению Р(ω)Q / ω, то есть

МQ = ρ [сО - сН (T1*/ТО)] ТО R S,

а постоянно действующая на ферромагнитное кольцо сила (измеряемая в ньютонах) определяется выражением:

F(ω*)Q = МQ / R = ρ [сО - сН (T1*/ТО)] ТО S(10)

Сравнивая выражения (8) и (10) между собой и сокращая обе сравниваемые части на сечение S, при предположении, что в основу работы ферромагнитовязкого двигателя положено использование только тепловой энергии внешней среды с учётом проявления динамической несимметрии магнитокалорического эффекта, можно записать связь между этими выражениями вида:

ρ [сО - сН (T1*/ ТО)] ТО ≥ 3,339 µО χMAX HО2для β = 9,(11)

с учётом того, что функция f (ξ), указанная в (5), вычисляется для ω = ω*, а знак «больше или равно» в выражении (11) означает, что источником энергии для ферромагнитовязкого двигателя является именно только тепловая энергия внешней среды. Попутно отметим, что правая часть выражения (11) физически представляет собой объёмную плотность магнитной энергии, а его левая часть - представляет объёмную плотность тепловой энергии (Дж/м3).

В том случае, если правая часть выражения (11) для заданных значений β, χMAX и HО (при выборе предельно допустимых значений) оказалась бы больше левой части, то следовало искать новый источник энергии, например, неизвестную энергию «вакуумного поля». Поэтому экспериментирование по предложенному способу имеет большое значение для установления новых физических закономерностей.

Пример. Пусть ферромагнетик характеризуется такими данными: ρ = 2,7.103 кг/м3, сО = 500 Дж/кг.град, сН = 300 Дж/кг.град, T1*/ ТО = 1,25 и ТО = 20О (типичная температура водных бассейнов южных широт).Тогда левая часть выражения (11) равна 2700*(500 - 1,25*300)* *20 = 6,75*106 Дж/м3. При использовании ферромагнетика с максимальной магнитной восприимчивостью χMAX = 1000 и при магнитных полях с величинами: НО = 10 кА/м и НМАХ = 100 кА/м при µО=1,256* 10-6 Гн/м правая часть выражения (11) при β = 9 равна 3,339*1,256*10-6*1000*108 = 4,194*105 Дж/м3. Тогда 6,75*106 >> 4,194*105, что указывает на то, что источником энергии, действительно, может являться тепловая энергия внешней среды. Кроме того, это означает, что при выборе магнитных параметров с существенно большими величинами χMAX и HО, условие (11) всё-таки соблюдается, например, при χMAX = 3000 и НО ≤ 23,16 кА/м при насыщающем магнитном поле НМАХ = 250 кА/м и выше. Отметим, что лучшие неодимовые постоянные магниты на основе соединения Nd2 Fe14 B могут создать объёмную плотность магнитной энергии до 400 кДж/м3, что в 6,75.106 / 4*105 =16,9 раза меньше допустимого предела, при котором нельзя считать, что источником энергии для работы ферромагнитовязкого двигателя является не тепловая энергия внешней среды. Поиск иного источника энергии мог бы состояться, если при работе ферромагнитовязкого двигателя его ферромагнитное кольцо не охлаждалось.

Следует рекомендовать технологическую разработку ферромагнитных материалов, обладающих требуемой магнитной вязкостью, высокой магнитной восприимчивостью в максимуме на кривой Столетова и сравнительно низким уровнем магнитного насыщения.

Литература

магнитокалорический ферромагнетик динамический несимметрия

1. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971, с. 368;

2. Weiss P., Forrer R., Aimantation et phenomene magngtocalorique du nickel, "Ann. de Phys.", 1926, v. 5, p. 153;

3. Белов К.П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957;

. Белов К.П., Редкоземельные магнетики и их применение, М., 1980;

. Никитин С.А. и др., Магнитокалорический эффект в соединениях редкоземельных металлов с железом, "ЖЭТФ", 1973, т. 65, с. 2058;

. Никитин С.А. и др., Особенности магнитного поведения и магнитокалорический эффект в монокристалле гадолиния, "ЖЭТФ", 1978, т. 74, с. 205;

. Никитин С.А. и др., Магнитные фазовые превращения и Магнитокалорический эффект в монокристаллах сплавов Tb-Y, "ЖЭТФ", 1977, т. 73, с. 228;

. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., М., 1976;

. Паташинский А.3., Покровский В.Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, 2 изд., М., 1982;

. Ма Ш., Современная теория критических явлений, пер. с англ., М., 1980;

. Меньших О.Ф., Магнитовязкий маятник, Патент РФ № 2291546, опубл. в бюлл. № 01 от 10.01.2007;

. Меньших О.Ф., Ферромагнитовязкий ротатор, Патент РФ № 2309527, опубл. в бюлл. № 30 от 27.10.2007.

. Меньших О.Ф., Магнитовязкий ротатор, Патент РФ № 2310265, опубл. в бюлл. № 31 от 10.11.2007;

. Меньших О.Ф., Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ № 2332778, опубл. в бюлл. № 24 от 27.08.2008;

. Меньших О.Ф., Ферромагнитовязкий двигатель, Патент РФ № 2359398, опубл. в бюлл. № 17 от 20.06.2009;

. Меньших О.Ф., Устройство стабилизации частоты генератора, Патент РФ № 2368073,

опубл. в бюлл. № 26 от 20.09.2009;

. Меньших О.Ф., Ротор ферромагнитовязкого двигателя, Патент РФ № 2412524, опубл. в бюлл. № 5 от 20.02.2011;

. Меньших О.Ф., Устройство автоматического управления электрогенератором, Патент РФ № 2444802, опубл. в бюлл. № 7 от 10.03.2012 (получен запрос из Германии о патентовании); 20. Меньших О.Ф., Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ № 2452074, опубл. в бюлл. № 15 от 27.05.2012;

. Меньших О.Ф., Явление динамического сверхнамагничивания ферромагнетика, Internet,на сайте Allbest, Физика и энергетика, 00276844_0.html, опубл. 26.07.2013 (материал прошёл экспертную проверку).

Приложение