Эксперимент

Эффект Губера

В 1959 г. швейцарский инженер Ж.Губер обнаружил, что если к паре железнодорожных колёс, соединённых стальной осью, подвести по рельсам ток и привести пару в движение, то на колеса начнёт действовать небольшая сила. Сила эта возникала только при движении колёс, всегда была направлена в сторону их движения и не зависела от того, постоянный или переменный ток подводился к системе. Было установлено также, что она уменьшается по мере увеличения скорости и составляет максимально примерно 20–50 Н при токах 2–5,4 кА (50 Гц) и скорости 0,2 м/с. В этих экспериментах по 20-метровому отрезку рельсового пути, установленного на опору и имевшего естественный прогиб, пропускали ток в десятки тысяч ампер. При токе порядка 5,5 кА колёсная пара начинала качаться (совершала колебательные движения вперёд-назад по рельсам).

В 60-х гг. прошлого века независимо от Губера такое же явление наблюдали новосибирские исследователи В.В.Косырев, В.Д.Рябко и Н.Н.Вельман. Они получили авторское свидетельство на необычайно простой электродвигатель, состоящий только из подшипника качения, в котором между внутренним и внешним кольцами пропускается ток несколько ампер. Такое устройство приходит в движение после первоначального толчка и вертится со скоростью до 1000 об/мин.

Этот же эффект наблюдал и английский физик Р.Мильрой (1967). Он предложил свой электродвигатель – вал из проводящего материала, продетый сквозь два подшипника, к внешним обоймам которого проводится ток от автомобильного аккумулятора 6–12 В или от понижающего трансформатора (65 Вт). Вал вращался со скоростью около 1000 об/мин при токе 5 А.

Этот эффект объяснялся с нескольких точек зрения. Сам Губер считал очевидной электродинамическую природу сил. Однако его расчёты не опубликованы, а то, что силы Ампера и Лоренца могут лишь тормозить движение, нетрудно доказать. Новосибирские авторы в описании изобретения объясняют так: «Подвижная часть вращается в результате упругой деформации деталей при нагреве последних протекающим по ним электрическим током». Иными словами, в месте электрического контакта металл нагревается, расширяется и подталкивает шарик, который перекатывается с образовавшейся горки на новый, ещё не нагретый участок кольца, а там всё повторяется сначала. Возникает бегущая волна теплового расширения, которая постоянно преследует катящееся колесо. Это предположение о тепловой природе эффекта при более тщательном рассмотрении тоже оказывается неубедительным. Например, если бы оно было справедливым, величина эффекта Губера сильно зависела бы от материала, из которого сделаны подшипник, рельсы и колёса. Скажем, в меди и латуни температура различных участков выравнивается очень быстро, напротив, в стальных контактах перегревы рассасываются гораздо медленнее.

На несовершенство обеих гипотез – и электродинамической, и тепловой – обратили внимание сотрудники Московского энергетического института К.М.Поливанов, А.В.Нетушил и Н.В.Татаринова. После проведённых экспериментов на механизмах, где проявлялся эффект Губера, они привели более сильные доводы: причина движения – электрическая искра, проскакивающая между точкой отрыва катящейся детали и направляющей. Мгновенно нагревая воздух в узком зазоре между деталями, искра вызывает резкое повышение давления воздуха, толкающее колесо вперёд. То есть системы, в которых проявляется эффект Губера, – это искровые, или плазменные, двигатели.

Moсковские учёные поставили несложный опыт: поместили изготовленный ими «двигатель Мильроя» под вакуумный колпак. Когда воздух был из-под него откачан, двигатель остановился. Никаких проявлений эффекта Губера в вакууме обнаружить не удалось. Это достаточно убедительно говорит о роли искрового разряда, возникающего в воздушной среде. Группа профессора Поливанова опубликовала небольшую статью с результатами эксперимента в журнале «Электричество» № 3/1973. В конце XX в. профессор А.В.Нетушил снова вспомнил об этом любопытном эффекте. Заставила его это сделать серия публикаций в немецком журнале «Raum und Zeit», посвящённая фантастическим изобретениям англичанина Дж.Сирла. Последний утверждал, что 30 июня 1968 г. он успешно испытал первый управляемый летающий диск, за несколько минут совершивший перелёт по маршруту Лондон–Корнуэлл и обратно (около 600 км) без всякого внешнего источника энергии. Позже он изготовил более крупные диски (диаметром более 10 м и собственным весом до 6 т). На своё письмо в журнал с просьбой привести дополнительные доказательства реальности полётов дисков или хотя бы дополнительные подробности их устройства, профессор получил любезный ответ, в котором обращают на себя внимание следующие фразы: «На эти и другие конкретные вопросы мы не смогли получить точных ответов, несмотря на все наши старания (Дж.Сирл был в течение недели нашим гостем). На основании этого мы прекратили публикацию дальнейших сообщений до тех пор, пока не будет представлена функциональная модель, как бы интересны и многообещающи ни были идеи Джона Сирла». Заметим, что ни в одной публикации нам не встретилось никаких физических расчётов или оценок по данному эффекту. Мы решили попробовать разобраться с этим сами.

Наш эксперимент

Мы провели эксперимент на простой установке. На два параллельных стальных стержня, расположенных на расстоянии примерно 120 мм, укладывалась алюминиевая трубка диаметром около 20 мм. Через эту систему пропускался ток от 5 до 30 А от источника тока ВС-24 или от бытового сварочного трансформатора. Лёгким толчком трубка приводилась в движение, после чего включался ток. Дальнейшее движение сопровождалось искрением и ускорением движения. При эксперименте на прогнутом участке рельсов мы наблюдали раскачивание и поддержание колебаний. Проведению количественных исследований мешали, во-первых, повышенная нагрузка на осветительную сеть, во-вторых, быстрый износ поверхности вследствие эрозии металла. При эксперименте со стальной трубкой приходилось снижать ток из-за возникновения дугового разряда. Однако в любом случае эффект ускорения фиксировался совершенно чётко.

Теоретическая оценка силы в эффекте Губера

Будем считать, что сила F возникает при адиабатическом расширении газа, разогреваемого за счёт тока, протекающего в объёме V искры, которая возникает при отрыве точек катящегося колеса. При этом F ~ΔpS, где Δp – скачок давления газа, S – поперечное сечение искрового промежутка.

Будем считать, что из-за малого сопротивления плазмы искры основной ток I сосредоточен в искровом промежутке, поэтому работа электрического источника, идущая на изменение внутренней энергии газа, может быть оценена как ΔE = UIΔt. С другой стороны, эту же величину для адиабатического процесса можно оценить из первого начала термодинамики:

ΔE + pΔV = 0 ⇒ ΔE = –p (V)ΔV. (1)

Получим выражение для скачка давления Δp, учитывая, что в адиабатическом процессе выполняется соотношение pV^γ = const и вычисляя дифференциал этого соотношения:

ΔpV^γ + pγV^γ-1 ΔV = 0, (2)

Тогда из (1) и (2) получаем

Оценив объём искры как V ~ LS, оценим значение силы как

Видно, что сила взрывного давления уменьшается с уменьшением времени существования искры. Это объясняет упоминаемое в литературе уменьшение эффекта при увеличении скорости движения.

Зная силу, оценим момент силы вращения колеса, приняв, что плечо силы пропорционально длине дуги r ~ L и что время существования искры примерно на порядок меньше периода вращения где n – частота вращения колеса. При этих вполне разумных допущениях получаем

Примем данные по опытам Мильроя: U ~ 10 В, I ~ 5 A, V ~ 1 мм³ (для вала диаметром около 1 см), n ~ 1000 об/мин (откуда Δt ~ 6 · 10^-3 c). Тогда значение момента вращающей силы оценивается как M_F ~ 10^-8 Н · м. Это, казалось бы, небольшое значение пропорционально увеличивается в опытах Губера с железнодорожными колёсами, где на 3–4 порядка увеличиваются электрическая мощность и объём и соответственно увеличивается длительность самой искры.

Сравним полученное значение момента силы Губера с тормозящим моментом силы трения вращения в данном эксперименте. Как известно, момент такой силы определяется соотношением M_тр.кач ~ kN, где k – коэффициент трения качения (для закалённой стали по закалённой стали k ~ 10^-6 м). Если принять mg ~ 10^-1 Н, то получаем M_тр.кач ~ 10^-7 Н · м.

Как видим, сила Губера оказалась, по нашим оценкам, примерно на порядок меньше силы трения качения, однако при благоприятной схеме она может сравниться с ней. Наша оценка даёт лишь минимальное значение силы. Например, учёт явления переноса вещества в искре (электроэррозия) может существенно увеличить эффект. Поэтому можно утверждать, что если эта сила по своей природе пассивна и сама не является источником движения, то при наличии первоначального толчка вполне может поддерживать движение или в заметной мере способствовать этому движению.

Что касается практического аспекта подробного изучения или учёта эффекта Губера, то он может оказывать влияние как с положительным, так и с отрицательным знаком при исследовании работы конкретных устройств, в которых микроконтакты с градиентом электрического потенциала являются неустранимыми или специально организованными.