- Аннотация проекта:
- Цель проекта - исследование электромагнитных полей многоконтурных электрических систем тороидального типа с постоянным и переменным током и применение их свойств при создании образцов новой техники.
Задачи:
1. Экспериментальное исследование магнитных полей тороидальных систем с постоянным током.
2. Представление о физической сути магнитного поля.
3. Частные задачи с применением обобщенного закона электромагнитного взаимодействия.
4. Продольное электромагнитное взаимодействие в технике.
5. Исследование электромагнитного поля тороида с низкочастотным током.
6. Изучение проблемы электромагнитной совместимости при использовании элементов тороидального типа.
7. Телекоммуникационные приложения тороидальных электромагнитных систем.
8. Изучение проблемы подводной радиосвязи.
Предлагаемая НИР опирается на новые теоретические и экспериментальные результаты, полученные в обобщенной электродинамике, изучающей электромагнитные поля сложных электрических систем. Она позволяет решать актуальные технические и технологические задачи электротехники, электромеханики, радиофизики и т.д. В рамках предлагаемого проекта предполагается решить несколько конкретных актуальных технических задач.
Ожидаемые результаты:
1. действующие лабораторные установки, демонстрирующие продольную электромагнитную силу;
2. технические решения в электромеханических системах с использованием продольной электромагнитной силы;
3. расчет электромагнитного поля тороида с низкочастотным током с использованием конкретных параметров;
4. решение задач ЭМС в системах с тороидальными элементами в нескольких конкретных случаях.
Полученные результаты можно будет использовать в учебном процессе ТУСУР и других вузов при подготовке специалистов в области электромеханики, радиоэлектроники, радиофизики. Возможными потребителями результатов НИР могут быть разработчики приборов и аппаратуры, роботов-манипуляторов различного назначения, а также исследователи проблем подводной радиосвязи.
- Вакансии:
- ИсследовательИсследовательИсследователь
- Классификация работы:
- НИР прикладная
- Направление исследований и разработок:
- Н4. Новые приборы и интеллектуальные производственные технологии
Конечный продукт
В монографиях Г.В. Николаева и Томилина А.К. описаны десятки экспериментов, в которых проявляется электромагнитная сила, действующая вдоль тока. В рамках проекта планируется создать несколько новых действующих лабораторных установок для демонстрации продольного электромагнитного взаимодействия и измерения продольной магнитной силы. С использованием этих установок можно будет моделировать различные частные случаи электромагнитного взаимодействия и сравнивать результаты теории и эксперимента.
Результаты лабораторных исследований можно применить к решению конкретных технических задач, в частности, спроектировать вибрационный актуатор или манипулятор продольного действия.
Теоретический расчет электромагнитного поля тороида с переменным током позволяет решать задачи ЭМС в электротехнических системах с тороидальными трансформаторами.
Принцип действия тороидальных антенн, определение условий эксплуатации и областей применения.
Актуальность и востребованность
Предлагаемая НИР направлена на развитие нового научного направления, расширяющего традиционные представления об электромагнитном поле. При изучении полей сложных электродинамических систем за последние полвека открыты новые явления, которые можно использовать на практике. Возникли актуальные задачи, связанные с применением новых знаний. В частности, обнаружена продольная магнитная сила, которую можно использовать в электромеханических системах при создании актуторов и роботов-манипуляторов. Другой пример: установлено, что тородальная катушка с низкочастотным током генерирует потенциальное электрическое поле, которое следует учитывать при решении задач ЭМС. Возникла перспективная актуальная задача о разработке антенн тороидального типа, которые можно использовать для подводной радиосвязи в коротковолновом диапазоне.
Результаты проекта НИР могут быть востребованы при создании новых типов приборов и аппаратуры, а так же при разработке систем связи и телекоммуникаций специального назначения.
Предмет разработки/исследования
Предмет исследования - многоконтурные электрические ситемы тороидального типа с постоянным и переменным током. Обобщенная электродинамическая теория (макроскопическое приближение) в общем случае представляет электромагнитное поле в виде четырехмерного вектора. При этом обнаруживается потенциальная компонента магнитного поля, которая не связана с гипотетическими монополями Дирака. Она проявляется в сложных многоконтурных электрических системах. С ее использованием сформулирован обобщенный закон электромагнитного взаимодействия. Кроме того, открыто явление безвихревой электромагнитной индукции: нестационарное потенциальное магнитное поле порождает потенциальное электрическое поле. С учетом этого электромагнитная волна представляется как потенциально-вихревой процесс, то есть, кроме поперечных электромагнитных волн, существуют еще и продольные. Поперечные волны хорошо распространяются в диэлектрических средах, а в проводниках они быстро затухают. Продольные волны, наоборот, в диэлектриках затухают, а в продящих средах способны распространяться на большие расстояния. Для генерации и приема продольных волн нужны специальные антенны. Один из возможных типов - тороидальные антенны. Изучение принципа их действия и условий эксплуатации является одной из задач НИР.
Способы и методы реализации проекта
Проект НИР предполагает использование расчетов на основе известной теории и постановку лабораторных экспериментов с целью измерения определенных физических или технических параметров. В частности, планируется эксперимент с целью измерения продольной электромагнитной силы и сравнение результатов с теоретическими расчетами. При решении задач ЭМС потребуется расчитать напряженность потенциального электрического поля тороида с переменным током и оценить размеры области его эффективного воздействия на соседние элементы. Отдельная задача - расчет тороидальной антенны и определение ее ресурсов в зависимости от мощности передатчика и условий эксплуатации. Во всех случаях производится сравнение расчетов с результатами известных экспериментов.
Новизна предлагаемых в проекте решений
Научное направление - обобщенная электродинамика - возникло и развивается около полувека, то есть является новым и обладает высоким инновационным потенциалом. На основе открытых и исследованных явлений можно создавать образцы приборов и аппаратов с уникальными возможностями. В частности, создана и используется на практике специальная магнитная установка для устранения солеотложения в водонагревательных приборах - "МАУТ" (Магнитное антинакипное устройство Томское). В результате теоретических и экспериментальных исследований найдено принципиальное решение высокочастотной подводной радиосвязи. Разработаны, расчитаны и испытаны в натурных условиях специальные антенны для передачи и приема высокочастотного радиосигнала в морской среде.
В предлагаемом проекте НИР используются представления о потенциальном магнитном поле, о дивергентной компоненте векторного потенциала, о продольных электромагнитных волнах. На их основе формируются инновационные решения при рассмотрении задач проекта.
Задел по тематике проекта
По тематике проекта опубликовано более 15 научных статей, издана монография: Томилин А.К. "Обобщенная электродинамика". – М.: Триумф, – 2020. DOI: 10.32986/978-5-93673-270-6-2020-04 Она переведена на китайский язык и вышла в издательстве Бейханского университета авиации и космонавтики (г. Пекин).
В 2022 году по итогам конкурса "Инновационные технологии в интересах Вооруженных Сил" получена специальная премия Министерства Обороны РФ.
В 2023 году получена серебрянная награда в конкурсе научных работ в Дубаи.
Подготовлено к изданию учебное пособие "Обобщенная электродинамика: электромагнитные поля и волны".
Конкурентные преимущества создаваемого продукта
Известно почти два десятка российских и зарубежных компаний (Китай, Британия, США), решающих проблему подводной радиосвязи. Они в основном занимаются прокладкой кабельных сетей на морском шельфе для передачи данных с помощью поперечных электромагнитных волн. Такая технология имеет ограниченный сектор действия. Известен также способ низкочастотной радисвязи тип "воздух-вода" с использованием крупногабаритных антенн (более 10 км). Низкочастотные каналы связи имеют крайне низкую пропускную способность. Иногда для подводной радиосвязи используют магнитные антенны, которые работают в воде в пределах емкостного контакта (ближняя волновая зона) - десятки метров при мощности передатчика в сотни ватт.
Обобщенная электродинамика предлагает принципиально отличное решение проблемы подводной радиосвязи, основанное на расширении теории Максвелла, представлении электромагнитной волны в виде потенциально-вихревого процесса. Такой подход обоснован теоретически и проверен экспериментально.
Руководитель проекта проф. Томилин А.К. поддерживает научные контакты с представителями организаций, занимающихся проблемой подводной радиосвязи: АО «Корпорация «Московский институт теплотехники», Севастопольский государственный университет, Дальневосточный федеральный университет, Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН.
Календарный план
1 этап:
Изучение основ Обобщенной электродинамики и планирование работ.
Продолжительность:
месяцев
Работы, выполняемые на этапе:
Исследователь 1:
1. Рассмотрение известных экспериментов по продольному электромагнитному взаимодействию и их обсуждение.
2. Изучение литературы.
3. Планирование экспериментальной работы: обсуждение идей новых экспериментов, эскизы лабораторных установок.
4. Подбор лабораторного оборудования.
5. Конструирование лабораторных установок.
6. Испытание лабораторных установок.
Исследователь 2:
1. Рассмотрение известных экспериментов по исследованию электромагнитного поля тороида и их обсуждение.
2. Изучение литературы.
3. Планирование экспериментальной работы: обсуждение идей новых экспериментов, эскизы лабораторных установок.
4. Подбор лабораторного оборудования.
5. Конструирование лабораторных установок.
6. Испытание лабораторных установок.
Исследователь 3:
1. Рассмотрение известных экспериментов по подводной радиосвязи и их обсуждение.
2. Изучение литературы.
3. Расчеты тороидальной антенны для подводной радиосвязи.
4. Определение ресурса канала подводной радиосвязи.
Результаты выполнения этапа:
Исследователь 1:
1. План магистерской диссертации.
2. Глава "Постановка задачи и литературный обзор".
3. Эскизы лабораторных установок для демонстрации и измерения продольной магнитной силы.
4. Теоретический расчет параметров, подлежащих измерению.
Исследователь 2:
1. План магистерской диссертации.
2. Глава "Постановка задачи и литературный обзор".
3. Эскизы лабораторных установок для демонстрации безвихревой электромагнитной индукции.
4. Теоретический расчет параметров, подлежащих измерению.
Исследователь 3:
1. Обсуждение плана магистерской диссертации.
2. Глава "Постановка задачи и литературный обзор".
3. Эскиз тороидальной антенны.
2 этап:
Эксперименты: изучение опубликованных экспериментов и постановка новых, измерение параметров.
Продолжительность:
месяцев
Работы, выполняемые на этапе:
Исследователь 1:
1. Конструирование лабораторных установок.
2. Измерение параметров и сравнение их с теоретическими расчетами.
3. Описание лабораторных работ для использования в учебном процессе.
4. Подготовка публикации с результатами экспериментов.
Исследователь 2:
1. Конструирование лабораторных установок.
2. Измерение параметров и сравнение их с теоретическими расчетами.
3. Описание лабораторных работ для использования в учебном процессе.
4. Подготовка публикации с результатами экспериментов.
Исследователь 3:
1. Расчет геометрических параметров тороидальной антенны по заданной частоте.
2. Теоретический расчет параметров канала подводной радиосвязи.
3. Подготовка публикации с результатами экспериментов.
Результаты выполнения этапа:
Исследователь 1:
1. Действующие лабораторные установки.
2. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.
2. Глава "Эксперименты и их результаты".
3. Материалы для публикаций.
Исследователь 2:
1. Действующие лабораторные установки.
2. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.
2. Глава "Эксперименты и их результаты".
3. Материалы для публикаций.
Исследователь 3:
1. Озор экспериментов по подводной радиосвязи и используемых принципов действия.
2. Глава "Эксперименты и их результаты".
3. Материалы для публикаций.
3 этап:
Расчеты параметров для конкретных технических образцов.
Продолжительность:
месяцев
Работы, выполняемые на этапе:
Исследователь 1:
1. Техническое применение продольного электромагнитного взаимодействия.
2. Расчеты конкретных электромеханических систем.
3. Подготовка публикации.
Исследователь 2:
1. Выбор технических приложений, использующих сложные электрические системы тороидального типа.
2. Описание принципа действия и назначения каждого технического образца.
3. Расчет параметров каждого образца.
4. Решение задач ЭМС.
5. Подготовка публикации.
Исследователь 3:
1. Выбор технических параметров тороидальной антенны.
2. Расчет ресурсов канала подводной радиосвязи с учетом свойств среды.
3. Описание условий натурных экспериментов.
4. Подготовка публикации.
Результаты выполнения этапа:
Исследователь 1:
1. Описание технических систем продольного электромагнитного взаимодействия.
2. Глава "Технические приложения".
3. Материалы для публикаций.
Исследователь 2:
1. Описание систем с тороидальными элементами.
2. Глава "Технические приложения".
3. Материалы для публикаций.
Исследователь 3:
1. Расчеты тороидальной антенны для подводной радиосвязи.
2. Глава "Технические приложения".
3. Материалы для публикаций.
4 этап:
Подготовка публикаций и магистерских диссертаций
Продолжительность:
месяцев
Работы, выполняемые на этапе:
Исследователь 1:
1. Оформление магистерской диссертации.
2. Подготовка презентации к защите.
2. Подготовка статьи и доклада на конференцию.
Исследователь 2:
1. Оформление магистерской диссертации.
2. Подготовка презентации к защите.
2. Подготовка статьи и доклада на конференцию.
Исследователь 3:
1. Оформление магистерской диссертации.
2. Подготовка презентации к защите.
2. Подготовка статьи и доклада на конференцию.
Результаты выполнения этапа:
Исследователь 1:
1. Магистерская диссертация, подготовленная к защите.
2. Публикация статьи и тезисов доклада в материалах конференции.
Исследователь 2:
1. Магистерская диссертация, подготовленная к защите.
2. Публикация статьи и тезисов доклада в материалах конференции.
Исследователь 3:
1. Магистерская диссертация, подготовленная к защите.
2. Публикация статьи и тезисов доклада в материалах конференции.