Устройство для измерения ориентации магнитного поля

 

Изобретение относится к физике магнитных явлений и может быть использовано для моделирования взаимодействия между намагниченной областью и дифференциальным вращением среды при различных значениях магнитного числа Рейнольдса. Подобно известному устройству предлагаемое устройство содержит магнит с возможностью углового перемещения и два индикатора поворота. Новым является то, что устройство снабжено двумя цилиндрическими маховиками, между маховиками выполнен зазор, а магнит расположен в указанном зазоре и подвешен на нитях, соединяющих индикаторы поворота. Оси маховиков параллельны, а магнит имеет плоскость симметрии. Каждый из маховиков соединен с отдельным реверсивным двигателем, причем соединение произведено через разъемную муфту. Кроме того, каждый из маховиков имеет шкив с возможностью соединения обоих маховиков гибкой передачей. С одним из индикаторов поворота нити соединены через посредство емкостного датчика силы. Каждый из маховиков и соединенный с ним двигатель опираются на общий для них направляющий рельс с возможностью перемещения двигателя вдоль указанного рельса. Магнит заключен в обойму, соединенную с цилиндрическим демпфером, который свободно входит в неподвижный цилиндрический сосуд. Техническим результатом является обеспечение измерения ориентации магнитного поля при его взаимодействии с дифференциальным движением электропроводных тел при различных значениях критерия подобия. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к физике магнитных явлений и может быть использовано для моделирования взаимодействия между намагниченной областью и дифференциальным вращением среды при различных значениях магнитного числа Рейнольдса.

Известны устройства для определения характеристик магнитного поля с помощью подвижных элементов (Международный патент РСТ №WO 01/01163, 2001 г., М.кл. G 01 R 33/02). Известно устройство для измерения ориентации магнитного поля, содержащее магнит с возможностью углового перемещения и два индикатора поворота (Патент России №2138813, 1998 г., М.кл. G 01 R 33/02).

Предлагаемое устройство предназначено для измерения ориентации магнитного поля при его взаимодействии с дифференциальным движением электропроводных тел при различных значениях критерия подобия.

Подобно известному устройству предлагаемое устройство содержит магнит с возможностью углового перемещения и два индикатора поворота.

Новым является то, что устройство снабжено двумя цилиндрическими маховиками, между маховиками выполнен зазор, а магнит расположен в указанном зазоре и подвешен на нитях, соединяющих индикаторы поворота.

Оси маховиков параллельны, а магнит имеет плоскость симметрии.

Каждый из маховиков соединен с отдельным реверсивным двигателем, причем соединение произведено через разъемную муфту.

Кроме того, каждый из маховиков имеет шкив с возможностью соединения обоих маховиков гибкой передачей.

С одним из индикаторов поворота нити соединены через посредство емкостного датчика силы.

Каждый из маховиков и соединенный с ним двигатель опираются на общий для них направляющий рельс с возможностью перемещения двигателя вдоль указанного рельса.

Магнит заключен в обойму, соединенную с цилиндрическим демпфером, который свободно входит в неподвижный цилиндрический сосуд.

Вращение маховиков в предлагаемом устройстве служит моделью дифференциального перемещения среды относительно намагниченной области. Изменение скорости вращения маховиков и зазора между ними позволяет варьировать магнитное число Рейнольдса.

На чертежах показаны: фиг.1 - устройство для измерения ориентации магнитного поля (в разрезе); фиг.2 - схема расположения магнита в зазоре между маховиками в плоскости, проходящей через оси маховиков; фиг.3 - вид на устройство сверху (по стрелке А на фиг.1); фиг.4 - блок подвески магнита (фиг.2 и 4 в укрупненном масштабе); фиг.5 - схема опыта по определению влияния радиуса вращающихся тел на силы изображения, ориентирующие магнит; фиг.6 - схема взаимодействия магнита с его изображением в одном перемещающемся теле; фиг.7 - схема полярного ориентирования магнита вдоль зазора между двумя параллельно перемещающимися телами; фиг.8-12 - схемы последовательных стадий изменения полярности магнитного поля в ядре Земли (направление поля показано стрелками, длина которых соответствует его индукции в выделенных областях).

Устройство для измерения ориентации магнитного поля содержит магнит 1, верхний индикатор поворота 2 и нижний индикатор поворота 3.

Устройство снабжено двумя одинаковыми цилиндрическими маховиками 4 и 5 из алюминия. Между маховиками выполнен зазор 6. Магнит расположен в указанном зазоре и подвешен на нитях 7, 8, соединяющих верхний индикатор поворота с нижним.

Оси 9, 10 маховиков параллельны, а магнит имеет плоскость симметрии 11, которая при измерении должна быть совмещена с осями маховиков.

Валы 12, 13 маховиков проходят через подшипники 14, 15, закрепленные в стойках 16, 17.

Маховики 4 и 5 соединены соответственно с реверсивными двигателями 18 и 19. Соединение произведено через разъемные муфты 20 и 21, в которых выполнены шипы 22 и отверстия 23 для шипов.

Скрепленные с маховиками части указанных муфт выполнены в виде шкивов 24 и 25 с канавками 26, 27, что позволяет соединить оба маховика друг с другом гибкой передачей 28, например ременной в виде слабо натянутого резинового шнура. При необходимости это дает возможность уравнять скорости маховиков в режиме свободного вращения после выключения двигателей или после размыкания муфт.

Каждый из маховиков и соединенный с ним двигатель опираются на общий для них направляющий рельс 29, 30 с возможностью перемещения двигателя вдоль указанного рельса. Рельсы закреплены на станине 31 с помощью болтов 32, допускающих перестановку для изменения зазора между маховиками.

Магнит заключен в обойму 33, соединенную с цилиндрическим демпфером 34, который свободно входит в неподвижный цилиндрический сосуд 35 и способствует гашению колебаний магнита. Демпфирующей средой служат воздух либо жидкость (например, вода), заливаемая в сосуд до уровня 36, расположенного над верхним торцом демпфера 34.

Маховики ограждены вертикальными стенками 37, 38 из оргстекла, изолирующих магнит от потоков воздуха. На стенках установлен верхний индикатор поворота, включающий диск 39 с круговой шкалой (не показана) и лимб 40 со стрелкой 41. Под диском 39 на винте 42 закреплен емкостный датчик силы 43, снабженный пружинами 44 и стаканом 45, в котором выполнены отверстия 46 для нитей 7, 8.

Нижний индикатор поворота включает стрелку 47, закрепленную на торце обоймы 33. На короткое плечо 48 стрелки навинчен подвижный противовес 49. Длинное плечо 50 стрелки расположено над шкалой 51 компенсации.

Параметры устройства: диаметр маховиков 200...300 мм на длине 300 мм, вращение маховиков - однонаправленное либо противоположное, скорость вращения - 1...50 оборотов в секунду, диаметр магнита 25 мм, длина магнита 10...50 мм, что соответствует максимальному магнитному числу Рейнольдса 20...50. Материалы: цилиндрические части маховиков, обойма магнита, стойки, рельсы и станина - алюминий; валы и муфты - хромированная латунь; подшипники скольжения - бронза, подшипники качения - нержавеющая сталь.

При использовании устройства устанавливают вначале стрелку 47 нижнего индикатора на нуль шкалы 51 компенсации. После включения двигателей вихревые токи в маховиках отталкивают полюса магнита, ориентируя его в направлении осей вращения. По достижении стационарного режима регистрируют отклонение стрелки 47 нижнего индикатора, затем поворачивают лимб 40 до совмещения стрелки 47 нижнего индикатора с нулем шкалы 51 компенсации. По стрелке 41 лимба измеряют угол его поворота, по которому судят о моменте сил, действующем на магнит в исходном его положении при вращении маховиков.

С ростом скорости вращения маховика сила отталкивания магнита увеличивается, стремясь к пределу, который соответствует действию зеркального отражения магнита поверхностью маховика. Сила изображения возрастает с увеличением радиуса маховика. Влияние кривизны движущейся поверхности на ориентацию магнита может быть определено в опыте с последовательной заменой маховиков: 52-53, 54-55, 56-57 в порядке возрастания радиуса (фиг.5).

В приближении плоской поверхности (при достаточно большом радиусе) ориентирующее действие сил изображения показано на фиг.6 (вращение одного маховика, создающее одно изображение 58 магнита 1) и фиг.7 (вращение двух маховиков, создающее два изображения 59, 60 магнита). Эффект ориентации не зависит от направлений вращения - одинаковы ли они или противоположны. Ориентация магнита, достаточно близкая к предельной, достигается при значении магнитного числа Рейнольдса, равном 50.

Полярная ориентация намагниченной области дифференциальным вращением среды имеет существенное значение при формировании источника магнитного поля в ядре Земли. Под действием давления 1.5...2 миллиона атмосфер возможно образование ферромагнитного слоя в области ядра, занятой сплавом железа и его окисла (Fe+FeO). Этому способствуют следующие факторы, повышающие обменную энергию: вытеснение d-электронов давлением преимущественно из спаренных состояний, что уменьшает размер атома железа, возбуждение атомов тепловым излучением (максимум интенсивности которого при 4000 К соответствует кванту энергии 1.8 эВ), разобщение атомов железа атомами кислорода.

Энергия деформации, соответствующая в среднем полуторному уменьшению объема вещества при указанном давлении, составляет приблизительно 5 эВ на атом, что более чем на порядок превосходит тепловую энергию (0.4 эВ при 4000 К). Столь высокая энергия деформации может служить источником увеличения обменной энергии до уровня, значительно превосходящего тепловую энергию. Присутствие примесей создает условия для кристаллизации магнитотвердого сплава. Вероятно, значительная энергия освобождается в результате уменьшения объема, обусловленного магнитострикцией в данных условиях, когда точка Кюри не достигается до температуры плавления.

Ядро Земли, наружная поверхность 61 которого (фиг.8) имеет радиус 3470 км, находится под мантией. Ядро включает твердое металлическое субядро 62 с радиусом 1200 км, область 63 сульфида железа, твердый ферромагнитный слой 64 железо-окисного сплава (Fe+FeO), внешний переходный слой 65, внешний слой железо-окисного расплава 66, для затвердевания которого давление на данной глубине не достаточно.

Разогрев металлического ядра (за счет радиоактивного распада, дифференциации окислов и сульфидов на поверхности ядра с уменьшением объема, а также некоторых других процессов) приводит к плавлению сначала внутренней части ферромагнитного слоя с образованием внутреннего слоя расплава 67 и внутренней переходной зоны 68 перед ферромагнитным остатком 69 исходного слоя 64 (фиг.9). Затем плавится и остаток 69, что сопровождается образованием слоя 70 расплава на всем протяжении от области сульфидов 63 до наружной поверхности 61 ядра (фиг.10).

Частичное, а затем полное плавление исходного ферромагнитного слоя 64 выключает созданное им магнитное поле и возбуждает токи индукции в расплаве, которые в течение времени диффузионного затухания (до 10 тысяч лет) сохраняют магнитное поле того же направления.

Тем временем тепло, освобожденное металлическим ядром, достигает границы с мантией. Поверхность металлического ядра соответственно охлаждается. Это приводит к повторной кристаллизации, которая начинается изнутри образованием начального ферромагнитного слоя 71 с наружной переходной зоной 72 (фиг.11). Вместе с зоной 72 фронт кристаллизации движется от центра ядра к его периферии.

За счет относительно высокой магнитной проницаемости начальный ферромагнитный слой 71 шунтирует магнитное поле остаточной области 73 расплава, замыкая поле на себя. При этом поле в шунтирующем слое 71 направлено противоположно полю в области 73 расплава и, следовательно, исходному полю. Сосуществующие слои 71 и 73 с противоположными направлениями магнитного поля образуют двойной магнитный слой.

Дальнейшая кристаллизация магнитотвердого сплава на слое 71 сохраняет новую ориентацию поля. В результате образуется ферромагнитный слой 74 прежнего размера, но с противоположным направлением магнитного поля (фиг.12). При этом воспроизводятся также переходная зона 75 и внешний слой расплава 76.

При следующем разогреве металлического ядра описанный цикл повторяется и заканчивается очередной переполюсовкой магнитного поля Земли. Конвекция в жидкой части ядра имеет случайный характер и в определенной степени искажает регулярность автоколебательного процесса переполюсовки. В зависимости от условий возможны иные варианты данного процесса. В частности, образование шунтирующего слоя может начинаться до полного плавления исходного ферромагнитного слоя. При этом между двумя ферромагнитными слоями заключен слой расплава.

В историческом плане магнитное поле могло быть унаследовано от облака вещества, сформировавшего Землю путем аккреции.

Переходные зоны 65, 68, 72, 75 имеют диффузную природу. Их толщина δ зависит от температуры:

δ=kT/(∂A/∂z),

где k - постоянная Больтцмана, Т - температура, А - отнесенная к атому вещества ядра средняя энергия объемной деформации, z - глубина от поверхности Земли.

При Т=4000 К величина δ близка к 200 км, что препятствует четкому отражению сейсмических волн от ферромагнитных слоев ядра, которые совпадают по составу с окружающим их расплавом.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения ориентации магнитного поля, содержащее магнит с возможностью углового перемещения и два индикатора поворота, отличающееся тем, что оно снабжено двумя цилиндрическими маховиками, между маховиками выполнен зазор, а магнит расположен в указанном зазоре и подвешен на нитях, соединяющих индикаторы поворота.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оси маховиков параллельны, а магнит имеет плоскость симметрии.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из маховиков соединен с отдельным реверсивным двигателем, причем соединение произведено через разъемную муфту.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из маховиков имеет шкив с возможностью соединения обоих маховиков гибкой передачей.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с одним из индикаторов поворота нити соединены через посредство емкостного датчика силы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из маховиков и соединенный с ним двигатель опираются на общий для них направляющий рельс с возможностью перемещения двигателя вдоль указанного рельса.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнит заключен в обойму, соединенную с цилиндрическим демпфером, который свободно входит в неподвижный цилиндрический сосуд.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12