Возможно ли создание вечного двигателя на неодимовых магнитах?

Кто из нас в детстве не пытался или хотя бы не размышлял о том, чтобы построить вечный двигатель на постоянных магнитах? Казалось бы, если магниты отталкиваются друг от друга одноименными полюсами, то, наверное, можно найти такую конфигурацию магнитов, когда отталкивание станет действовать непрерывно, и сможет, например, вращать ротор «вечного» двигателя.

Однако, стоило нам попробовать реализовать эту идею практически, как тут же выяснялось, что в реальности ротор все равно находит такое положение, в котором останавливается. Словно ротор и вращался лишь для того, чтобы в конце концов найти эту точку и остановиться в ней. То есть неизбежно наступало устойчивое равновесие ротора.

Стремление термодинамических систем к равновесию

И это вовсе не удивительно, ведь ученым давно известно, что термодинамические системы стремятся к равновесию, и в конце концов пребывают в устойчивом равновесии (статическом или динамическом).

Из механики мы знаем, что тело покоится либо движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют никакие внешние силы, либо если действие этих внешних сил на тело скомпенсировано, то есть суммарная сила равна нулю (результирующее внешнее воздействие отсутствует).

Как вы понимаете, принцип стремления термодинамических систем к равновесию относится и к чисто механическим системам. Так, если система изначально пребывает в устойчивом равновесии (и конструкция с постоянными неодимовыми магнитами не является исключением), то при воздействии на такую конструкцию внешнего фактора, выводящего систему из равновесия, неизбежно возникнет реакция со стороны данной системы.

Это значит, что в системе начнут усиливаться процессы, стремящиеся уменьшить влияние внешнего фактора, который систему из равновесия вывел (Принцип Ле Шателье — Брауна).

Модель магнитного генератора индийского блогера с канала Creative Think:

Чтобы вызвать стремление к равновесию, необходимо создать условия не равновесия

Известный пример из электродинамики — правило Ленца. Если бы правило Ленца не работало, то электродвигатели не могли бы функционировать (смотрите — Виды электрических двигателей и принципы их работы).

В электродвигателе электрический ток создает магнитное поле, которое заставляют ротор непрерывно искать равновесие, и чтобы ротор не останавливался, магнитное поле все время действует таким образом, что вынуждает ротор (даже под механической нагрузкой) постоянно догонять точку, в которой должно будет наступить равновесие.

Но при этом электрическим полем, действующим в проводниках, совершается работа, то есть расходуется энергия источника, ведь в двигателе есть как минимум трение вала о подшипники, на преодоление которого, даже если ротор не нагружен и двигатель работает вхолостую, требуется работа, то есть расход энергии.

Если бы трения (даже о воздух) не было, и вал не был бы нагружен, то ротор бы вращался очень долго, например в полном вакууме в отсутствие силы притяжения к Земле. Но тогда никакая работа этим ротором бы уже не совершалась, и это был бы уже не двигатель, а вращающийся без сопротивления кусок металла.

Вернемся теперь к постоянным магнитам. Для системы с постоянными магнитами предсказать направление протекания процесса уравновешивающей реакции несложно.

Так, еще в 90-е годы японский экспериментатор Кохеи Минато исследовал возможность создания непрерывного вращения используя постоянные магниты на роторе и статоре своего мотора. В конце концов он был вынужден также создавать изменяющееся магнитное поле, которое заставляло бы ротор искать равновесие.

Минато демонстрировал, как приближая или отдаляя постоянный магнит, можно вынудить ротор с постоянными магнитами вращаться. Но в итоге он просто дошел в экспериментах до двигателя с постоянными магнитами на роторе.

Никакого вечного двигателя не получилось. На изменение внешнего магнитного поля, от которого бы отталкивался ротор с магнитами, требуется энергия извне. То есть, для создания условий, в которых ротор с магнитами будет искать равновесие, необходимо параллельно совершать работу.

Еще одна модель магнитного генератора с Интернета:

Динамическое равновесие при низкотемпературной сверхпроводимости как частный случай

Рассмотрим крайний случай. Многие знают, что свинцовая катушка с током, помещенная в жидкий гелий, способна поддерживать ток (и магнитное поле тока) на протяжении многих лет, поскольку сопротивление проводника исчезает.

Почему сопротивление исчезает? Потому что колебания атомов в металле, обуславливающие электрическое сопротивление металла, прекращаются при критической температуре. Две такие катушки будут вести себя по отношению друг к другу как постоянные магниты. Но опять же, они найдут устойчивое равновесие и остановятся.

Движения под действием силы не будет, то есть двигателя совершающего работу не получится. Движущиеся в сверхпроводнике электроны также работы не совершают, хотя и пребывают в устойчивом динамическом равновесии.

Чтобы двигатель совершал работу — он обязан расходовать энергию, но откуда ей взяться?

Допустим, что двигатель на постоянных магнитах реально возможен. Тогда для совершения механической работы, то есть на перемещение какого-нибудь объекта под действием силы со стороны вала такого двигателя (даже на преодоление силы трения при вращении ротора вхолостую), необходимо преобразование некой энергии внутри двигателя.

А что это за энергия, если не энергия постоянных магнитов или не энергия подводимая извне? Раз по условию задачи энергия извне не подводится, значит остается энергия постоянных магнитов.

Однако, будучи просто расположены на роторе и статоре, магниты энергию не отдадут. Чтобы заставить магнит размагничиваться, необходимо совершить работу, то есть опять же подвести к устройству энергию извне. Остается делать выводы.

Двигатель на постоянных магнитах

Согласно закону сохранения энергии, любой современный эл. привод не может иметь КПД выше 100%, потому как часть энергии нужно потратить на собственные нужды. Решить этот вечный вопрос призван двигатель на постоянных магнитах (униполярный, линейный, роторный, гравитационный и т. п), в котором механическое перемещение компонентов происходит за счет их взаимодействия на уровне магнитных свойств.

Принцип действия вечного магнитного движителя

Большинство современных эл. двигателей используют принцип трансформации эл. тока в механическое вращение ротора, а вместе с ним и приводного вала. Это значит, что любой расчет покажет КПД меньше 100%, а сам агрегат является зависимым, а не автономным. Та же ситуация наблюдается в случае генерирующего устройства. Здесь уже момент вращения вала, которое происходит за счет тепловой, ядерной, кинетической или потенциальной энергии движения среды, приводит к выработке электрического тока на коллекторных пластинах.

Двигатель на постоянных магнитах использует совершенно иной подход к работе, который нивелирует или сводит к минимуму необходимость в сторонних источниках энергии. Описать принцип работы такого двигателя можно на примере «беличьего колеса». Для изготовления демонстративной модели не требуются особые чертежи или расчет надежности. Необходимо взять один постоянный магнит тарельчатого (дискового) типа, полюса которого располагаются на верхней и нижней плоскостях пластин. Он будет служить основой конструкции, к которой нужно добавить два кольцевых барьера (внутренний, внешний) из немагнитных, экранирующих материалов. В промежуток (дорожку) между ними помещается стальной шарик, который будет играть роль ротора. В силу свойств магнитного поля, он сразу же прилипнет к диску разноименным полюсом, положение которого не будет меняться при движении.

Статор представляет собой условно пластину из экранируемого материала, на которую по кольцевой траектории крепят постоянные магниты, например, неодимовые. Их полюса расположены перпендикулярно по отношению к полюсам дискового магнита и ротора. В результате, когда статор приближается к ротору на определенное расстояние, возникает поочередное притяжение, отталкивание в магнитном поле, которое формирует момент затем перерастает во вращение шарика по кольцевой траектории (дорожке). Пуск и остановка происходят за счет приближения или отдаления статора с магнитами. Этот вечный двигатель на постоянных магнитах будет работать до тех пор, пока они не размагнитятся. Расчет ведется относительно размера коридора, диаметров шарика, пластины статора, а также цепи управления на реле или катушках индуктивности.

На подобном принципе действия было разработано немало моделей действующих образцов, например, синхронных двигателей, генераторов. Наиболее известными среди них являются двигатели на магнитной тяге Тесла, Минато, Перендев, Говарда Джонсона, Лазарева, а также линейные, униполярные, роторные, цилиндровые и т. д.

Рассмотрим каждый из примеров подробнее.

Магнитный униполярный двигатель Тесла

Выдающийся ученый, ставший в свое время пионером в области снабжения эл. током, асинхронных электродвигателей на переменном токе, не обделил своим вниманием и расчетом вопрос вечного источника энергии. В научной среде это изобретение именуется иначе, как униполярный генератор Тесла.

Первоначально расчет данного типа устройства вел Фарадей, но его прототип при сходном принципе действия не обладал должной эффективностью, стабильностью работы, то есть не достиг цели. Термин «униполярный» означает, что в схеме агрегата кольцевой, дисковый (пластина) или цилиндровый проводник расположен в цепи между полюсами постоянного магнита.

Магнитный двигатель Тесла и его схема

На схеме, которая была представлена в оригинальном патенте, есть конструкция с двумя валами, на которых размещаются две пары магнитов: В, В создают условно положительное поле, а С, С – отрицательное. Между ними располагаются униполярные диски с отбортовкой, используемые в качестве генерирующих проводников. Оба униполярных диска связаны между собой тонкой металлической лентой, которая может быть в принципе использована, как проводник (в оригинале) или для вращения диска.

Двигатель Минато

Еще одним ярким примером использования энергии магнетизма для самовозбуждения и автономной работы является сегодня уже серийный образец, разработанный более тридцати лет назад японцем Кохеи Минато. Его отличают бесшумность и высокая эффективность. По собственным заявлениям Минато, самовращающийся магнитный двигатель подобной конструкции имеет КПД выше 300%.

Двигатель Минато

Ротор имеет форму диска или колеса, на котором под определенным углом располагаются магниты. Когда к ним подводится статор с большим магнитом, возникает момент и колесо Минато начинает вращаться, используя попеременное сближение и отталкивание полюсов. Чем ближе статор к ротору, тем выше момент и скорость вращения. Питание осуществляется через цепь реле прерывателя.

Для предотвращения импульсов и биения при вращении колеса Минато, используют реле стабилизаторы и сводят к минимуму потребление тока управляющего эл. магнита. Недостатком можно считать отсутствие данных по нагрузочным характеристикам, тяге, используемых реле цепи управления, а также необходимость периодического намагничивания, о которой, кстати, тоже от Минато информации нет.

Может быть собран, как и остальные прототипы, экспериментально, из подручных средств, например, деталей конструктора, реле, эл. магнитов и т. п.

Двигатель Лазарева

Устройство двигателя Лазарева

Отечественный разработчик Николай Лазарев создал работающий и довольно простой вариант агрегата, использующего магнитную тягу. Его двигатель или роторный кольцар, состоит из емкости, разделенной пористой перегородкой потока на верхнюю и нижнюю части. Они сообщаются между собой за счет трубки, по которой из нижней камеры в верхнюю идет поток воды/жидкости. В свою очередь поры обеспечивают гравитационное перетекание вниз. Если под потоком жидкости поместить колесико, на лопастях которого будут закреплены магниты, то получиться добиться цели потока – вращения и создания постоянного магнитного поля. Схема роторного двигателя Николая Лазарева используется для расчета и сборки простейших самовращающихся устройств.

Магнитный мотор Говарда Джонсона

Магнитный мотор Говарда Джонсона

В своей работе и следующем за ней патенте на изобретение, Говард Джонсон использовал энергию, генерируемую потоком непарных электронов, присутствующих в магнитах для организации цепи питания мотора. Статор Джонсона представляет собой совокупность множества магнитов, дорожка расположения и движения которых будет зависеть от конструктивной компоновки агрегата Говарда Джонсона (линейной или роторной). Они закрепляются на специальной пластине с высокой степенью магнитной проницаемости. Одноименные полюса статорных магнитов направляются в сторону ротора. Это обеспечивает поочередное притяжение и отталкивание полюсов, а вместе с ними, момент и физическое смещение элементов статора и ротора относительно друг друга.

Организованный Говардом Джонсоном расчет воздушного зазора между ними позволяет корректировать магнитную концентрацию и силу взаимодействия в большую или меньшую сторону.

Генератор Перендева

Генератор Перендева

Еще одним неоднозначным примером действия магнитных сил является самовращающийся магнитный двигатель Перендев. Его создатель Майк Брэди, до того, как в его отношении начали уголовное производство, даже успел обзавестись патентом, создать одноименную фирму (Перендев) и поставить дело на поток. Если анализировать представленную в патенте схему и принцип, или чертежи самодельных эл. двигателей, то ротор и статор имеют форму диска и внешнего кольца. На них по кольцевой траектории размещают отдельные магниты, соблюдая определенный угол относительно центральной оси. За счет взаимодействия поля отдельных магнитов статора и ротора Перендев, возникает момент и происходит их взаимное перемещение (вращение). Расчет цепи магнитов сводится к определению угла расхождения.

Синхронный двигатель на постоянных магнитах

Устройство синхронного двигателя на магнитах

Одним из основных видов электродвигателей является синхронный, частота вращения магнитных полей статора и ротора которого равны. У обычного электромагнитного мотора обе эти части состоят из обмоток на пластинах. Но если конструкцию якоря поменять и вместо катушки поставить постоянные магниты, то можно получить интересную, эффективную, действующую модель синхронного двигателя. Статор имеет привычную компоновку магнитопровода из пластин и обмоток, в которых способно генерироваться вращающееся магнитное поле от электрического тока. Ротор создает постоянное поле, которое взаимодействует с предыдущим, и создает крутящий момент.

Также следует отметить, что в зависимости от схемы, относительное расположение статора и якоря могут меняться, например, последний будет выполнен в форме внешней оболочки. Для пуска мотора от тока из сети используется цепь из магнитного пускателя (реле, контактора) и теплового защитного реле.