地磁力飞行器

摘要

地球磁场是地球周围的一种特殊物质，地磁力飞行器以地球磁场为飞行环境，以电磁力为飞行动力和飞行举力，它把飞行从空气动力转变成电磁动力。

关键词

地球磁场；飞行环境；电磁力

世界是由物质组成的，人类的科技进步就是认识物质利用物质的过程。人类利用空气发明了多种飞行器，气球和xx是利用在空气中的浮力克服重力实现飞行的，飞机是因机翼的形状在运动时获得空气举力克服重力实现飞行的。地球周围有两种物质，一种是大气，它的范围很小，大气质量的98.81％集中在近地面30公里以下，99.92％集中在近地面50公里以下。[1]人类利用大气发明了飞机，由于大气的范围小，所以限制了飞机的飞行高度。由于飞机高速飞行，大气对其有阻碍作用，所以大气限制了飞机的飞行速度。由于飞机高速飞行与空气摩擦产生热量，所以空气使飞机高速飞行产生危险(如美国航天飞机的失事)。地球周围的另一种物质是地球磁场，地球磁场的范围是从地面到6万多公里的高空。[2]

我设计了一种新型飞行器，它利用地球磁场作为飞行环境，它以电磁力为飞行动力和飞行举力，所以我给它取名为地磁力飞行器(以下简称飞行器)。

飞行器工作原理：我把地球、地球磁场、飞行器看作一台大电动机，地球是电机的定子，地球磁场是电机的磁场，飞行器是电机的转子。让飞行器带有定向流动的电流，在地球磁场的作用下，带有电流的飞行器就受到电磁力的作用，当电磁力足够大时，飞行器就能够在地球磁场范围内运动。

根据麦克斯韦的全电流概念，电流包括传导电流、运流电流和位移电流，我们知道大多数电流是电荷在电场力作用下定向移动形成的传导电流，飞行器不可能带有持续的传导电流。带电物体的机械运动形成的电流是运流电流，飞行器可以产生持续的运流电流。如图一。

金属圆盘在外加磁感应强度为B的磁场中以角速度ω绕圆心顺时针方向旋转，磁场方向如图示，EF过圆心，EF左边磁场方向向内，EF右边磁场方向向外，根据电磁理论可知在磁场B中旋转的金属圆盘，FE左半边产生大量的正电荷，右半边产生大量的负电荷，圆盘F点附近的正电荷随圆盘的转动移动到E点，其电流方向是FE，同时E点附近的负电荷随圆盘转动到F点，其电流方向也是FE，这样在金属圆盘上就产生了定向流动的电流。为了防止金属圆盘电流在E点或F点发生短路和电子不按电流方向运动，把金属圆盘N等分，分界面绝缘处理，金属圆盘暂选钕铁硼和超坡莫合金制造。

当电流FE的方向与地球磁场方向垂直时，我们来计算一下电磁力的大小。

设圆盘转速ω=10转/秒，外加磁感应强度B=10特斯拉(实验室可以得到{zg}达三十几特斯拉)[3]圆盘半径R=20米，厚h=0.25米,地球磁场选取北京地区磁倾角57°23'，

磁场强度水平分量H=23.01A/m，真空介电常数(ε0=8.8538×10-12库仑2/(牛顿·米2)，钛酸钡的相对界电常数εr=104)，真空磁导率μ0=4π×10-7特斯拉·米/安培，超坡莫合金的相对磁导率μr=106)

金属圆盘在磁场中旋转切割磁感应线而产生电动势，圆盘周边产生过多的电荷，设电荷电量为e可得磁场对运动电荷的作用力F=evB(v电荷垂直磁场运动速度)，过剩电荷在圆盘周边与盘中心间产生电场，电场对电荷的静电力为F=eE(E为电场强度)，当电场力和电磁力平衡时eE=evB，所以E=vB＝ωrB(r为圆盘任意处半径)。

根据静电场的高斯定理E·S=Q/ε(S面积，Q电量)

电量Q=E·S·ε

把上式代入Q=ωrBSε

电流强度i＝Q/t过圆心做EF的垂直平面，电流强度等于单位时间通过垂直平面的电量i=nωrB2πrhε（n每秒转数，面积S＝2πrh）

求圆盘总电流强度需对r积分

I=2nωBπhε∫　r2dr=2/3πR3nωBhε

根据磁场对载流导线的作用力F＝IBlsinθ（l导线长度，θ导线中电流I与磁感应强度B的夹角）

地磁的水平分量作用在飞行器上产生举力F⊥＝2RIB1（为了便于区分设地磁感应强度为B1)

把ε=ε0εr　　B1=Hμ0rr代入F⊥=4/3πR4nωBhε0εrHμ0μr

μr：钕铁硼的磁性能比超坡莫合金好一些，但我没查到它的磁导率数据，所以暂时用超坡莫合金的磁导率数值做计算(μr＝106)

εr关于金属—电介质变换前苏联物理学家曾做过阐述[5]。2007年诺贝尔物理学奖获得者是发现了“巨磁电阻效应”的物理现象，就是铁磁性物质当磁场发生微弱变化时，就会使电阻产生巨大的变化，这一现象告诉人们金属在磁场中可以转变成电介质。金属转变成电介质是由于外加磁场“束缚电荷”，而普通电介质材料是物质的分子结构或原子结构“束缚电荷”，电介质的极化强度与分子的电偶极矩成正比，磁场“束缚电荷”与分子结构“束缚电荷”相比正负电子的距离大得多，所以电偶极矩也大得多，所以极化强度也大得多，由于极化强度与介电常数成正比，所以介电常数也大得多。暂用钛酸钡的介电常数εr＝104计算[6]

F⊥=2695.1443（牛）

水平方向获力F＝F⊥tg57°23'＝4211.58（牛）

按理论推测实际数值要大得多，具体数值还应由实验确定。

以上我选取的材料都是二十世纪八十年代的材料数据，近二十年来随着科技进步有许多新材料相继问世，如钕铁硼就比超坡莫合金强很多，强磁场环境中的电介质材料还缺少实验数据。

以上的数值在地面和近地空间看似小了点，但是在几千公里和几万公里的高空飞行的卫星、飞船等如有这一点作用力将是多难得。

飞行器的转向

调控旋转金属圆盘FE与地球磁场方向使飞行器推力方向改变，从而可以改变飞行器的飞行方向。

通过以上的论述可以看到地磁力飞行器是一种很有发展前途的飞行器，它可以使人类在地球磁场内的太空自由飞行，这一点无论是航天飞机、卫星、太空站都不能做到，它克服了飞机和火箭飞行出现的问题和弱点，它可以把人类的飞行从空气动力时代推向电磁动力时代。

参考文献：

[1]王永生等著，大气物理学、气象出版社，1987年版第42页第22行起。

[2]徐文耀著，地磁学，地震出版社，2003年版第41页侧数第7行起。

[3]张三慧主编，电磁学，北京科技出社1987年第190页第1行。

[4]程守洙，江之永主编，普通物理学（第二册），人民教育出版社，1979年。

[5]V.L.Ginzburg等著，廖建军等译，二十世纪物理学历史与展望，湖南教育出版社，1992年第286页倒数第5行起。

[6]赵凯华、陈熙谋著，电磁学高等教育出版社，1985年第197页表。