Многофункциональное магнитогидродинамическое электрохимическое устройство (демонстрационная установка)
Полезная модель может быть использована как электродвигатель, генератор, аккумулятор, демонстрационная установка или развивающая игрушка. Расширение функций устройства достигается тем, что в центре находящейся в магнитном поле цилиндрической емкости, заполненной электропроводящей жидкостью и содержащей два коаксиальных электрода, соединенных с проводниками, установлена ось, на которую надета способная вращаться вокруг этой оси втулка с закрепленным на ней диском, имеющим в нижней части несколько лопастей, расположенных радиально и находящихся в пространстве между электродами, магнитное поле создается двумя кольцевыми магнитами, один из которых располагается внизу, под дном емкости, а второй наверху, на съемной крышке емкости, на верхнем конце втулки имеется фиксирующее устройство, в котором может быть закреплена рукоятка, шкив, шестерня или один из сменных декоративных элементов, химический состав материала, из которого изготовлен один из электродов, отличается от химического состава материала другого электрода.
Предлагаемое устройство может служить двигателем, генератором, аккумулятором, а также наглядным пособием, демонстрационной установкой или развивающей игрушкой.
Известно устройство [1] (рис.1), состоящее из сосуда, наполненного ртутью, постоянного магнита в виде стержня, закрепленного вертикально в центре сосуда и выступающего над поверхностью ртути, проводника, один конец которого подвижно зафиксирован в точке, находящейся над магнитом, на одной оси с ним, а другой конец опущен в ртуть, так что проводник может вращаться вокруг магнита при пропускании электрического тока по цепи, образованной проводником и ртутью.
В известном устройстве сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля невелика, так как он находится на значительном расстоянии от полюсов магнита и, кроме того, угол между направлением тока в проводнике и направлением магнитного поля не равен 90° на всех участках проводника.
Известно также устройство, описанное в [2] (рис.2). Устройство включает сосуд, в котором находятся два электрода в виде коаксиальных металлических цилиндров, между электродами наливается электролит, сосуд помещается над полюсом магнита, магнитное поле которого вертикально. При подключении к источнику токи в электролите текут радиально, в горизонтальной плоскости, т.е. перпендикулярно направлению магнитного поля, силы, действующие на заряженные частицы электролита (ионы), приводят электролит во вращение. В этом устройстве роль проводника с током играет электропроводящая жидкость.
Известные устройства способны выполнять лишь одну функцию - демонстрировать движение проводника или проводящей жидкости в магнитном поле.
Описываемое ниже устройство имеет существенно более широкий диапазон применения. Оно может быть использовано как электродвигатель, выполняющий механическую работу, магнитогидродинамический генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, аккумулятор, накапливающий электрическую энергию. Кроме того, описываемое устройство - как и известные устройства - может использоваться в качестве демонстрационной установки, а также как развивающая игрушка. Для решения этих задач в конструкцию устройства внесены изменения, описанные ниже.
Для эффективного использования энергии движущейся электропроводящей жидкости используется конструкция, подобная мельничному колесу - диск с радиально расположенными лопастями, погруженными в электропроводящую жидкость между электродами. Лопасти делаются как можно большими, но такими, чтобы они не касались электродов. Диск жестко соединен с втулкой, надетой (возможно, с использованием подшипников) на ось, закрепленную в центре сосуда, так что диск с лопастями может легко вращаться вокруг этой оси. Ось предотвращает радиальные смещения диска с лопастями, что исключает касания лопастей с электродами. На верхнем конце втулки, могут быть закреплены (в зависимости от цели использования устройства) шкив или шестерня - для передачи вращения от устройства к исполнительному механизму или, наоборот, от какого-либо двигателя к устройству; рукоятка - для ручного вращения диска с лопастями, а также декоративные элементы - для лучшей визуализации вращения. Для исключения выплескивания жидкости сосуд закрывается крышкой с центральным отверстием, через которое проходит верхняя часть втулки.
Сила, действующая на заряженные частицы движущейся электропроводящей жидкости, зависит от величины индукции магнитного поля. С целью ее увеличения на крышке устанавливается дополнительный (кольцевой) магнит, который (так же как и нижний магнит) намагничен вдоль оси, при этом разноименные полюсы верхнего и нижнего магнитов обращены друг к другу.
Возможность вращения электропроводящей жидкости с использованием внешней (механической) силы позволяет использовать устройство в качестве (магнитогидродинамического) генератора тока.
Для дальнейшего расширения возможностей устройства один из электродов может изготавливаться из материала, химический состав которого отличается от химического состава материала, из которого изготовлен второй электрод - в этом случае устройство приобретает свойства аккумулятора. Этот аккумулятор может быть заряжен либо от внешнего источника тока, либо при механическом вращении электропроводящей жидкости с помощью лопастей. Наличие аккумулятора в самом устройстве позволяет ему действовать как электродвигатель - без подключения к внешнему источнику тока, просто при замыкании проводников, соединенных с электродами. Эти проводники могут быть замкнуты через резистор, сопротивление которого может изменяться для регулирования скорости вращения и/или величины вращающего момента.
Предлагаемое устройство может функционировать в следующих режимах:
1) Электродвигатель с питанием от внешнего источника. При подключении проводников, соединенных с электродами, к внешнему источнику тока электропроводящая жидкость между электродами начинает вращаться и приводит во вращение диск с лопастями. Движение диска с помощью шкива или шестерни передается исполнительному механизму.
2) Электродвигатель с питанием от внутреннего аккумулятора. Если электроды в описываемом устройстве изготовлены из материалов разного химического состава, то при замыкании проводников, соединенных с электродами, друг с другом (возможно, через переменный резистор) в электропроводящей жидкости возникает электрический ток, что приводит к вращению электропроводящей жидкости и, соответственно, диска с лопастями - как в режиме 1.
3) Генератор для питания внешнего потребителя электрической энергии. При вращении (с помощью рукоятки, шкива или шестерни) диска с лопастями лопасти приводят во вращение электропроводящую жидкость между электродами, при этом на электродах появляется разность потенциалов, которая с помощью проводников, соединенных с электродами может передаваться внешнему потребителю. Знак возникающей разности потенциалов зависит от направления вращения диска с лопастями.
4) Генератор для зарядки внутреннего аккумулятора. Если электроды в описываемом устройстве изготовлены из материалов разного химического состава, то образуется аккумулятор, который может заряжаться при вращении (в соответствующем направлении) электропроводящей жидкости с помощью лопастей, при этом проводники, соединенные с электродами, должны быть замкнуты друг с другом (возможно, через переменный резистор).
5) Аккумулятор. Если электроды в описываемом устройстве изготовлены из материалов разного химического состава, то образующийся аккумулятор может быть заряжен обычным способом - от внешнего источника, который (с учетом полярности) подключается к проводникам, соединенным с электродами, или с помощью самого устройства - в режиме 4.
6) Демонстрационная установка. Описываемое устройство может использоваться для демонстрации действия магнитного поля на движущиеся заряды, возникновения разности потенциалов в электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле, устройства и работы аккумулятора.
7) Развивающая игрушка. Устройство легко собирается и разбирается, что усиливает его дидактическую, развивающую функцию. Наличие разных элементов, входящих в состав устройства (жесткие элементы разной формы из разных материалов, гибкие проводники, жидкость), а также множество режимов функционирования устройства повышает интерес играющего, повышает его мотивацию, способствует развитию творческих способностей. Для усиления эстетического воздействия на верхнем конце втулки могут быть установлены сменные декоративные элементы, движущиеся во время работы устройства.
1. Устройство для проведения демонстраций по электричеству и магнетизму, состоящее из цилиндрической емкости, заполненной электропроводящей жидкостью, внутри которой находятся два коаксиальных электрода, соединенных с проводниками, магнита, создающего магнитное поле, направленное вдоль оси электродов, отличающееся тем, что в центре емкости установлена ось, на которую надета (возможно, с использованием подшипника) втулка с закрепленным на ней диском, имеющим в нижней части несколько лопастей, расположенных радиально и находящихся в электропроводящей жидкости в пространстве между электродами, при этом втулка и диск с лопастями способны вращаться вокруг упомянутой оси либо под действием давления электропроводящей жидкости, которая движется в магнитном поле при прохождении по ней электрического тока, либо под действием момента внешней силы, приложенной к втулке, магнитное поле создается двумя кольцевыми магнитами, один из которых располагается внизу, под дном емкости, а второй наверху, на съемной крышке емкости, при этом разноименные полюсы магнитов обращены друг к другу, на верхнем конце втулки, проходящей в отверстие в крышке емкости и отверстие в верхнем магните, имеется фиксирующее устройство, в котором (в зависимости от целей демонстрации) может быть закреплена рукоятка, шкив, шестерня или декоративный элемент.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что химический состав материала, из которого изготовлен один из электродов, отличается от химического состава материала другого электрода.
