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磁铁知识

磁铁永动机?别逗了,能量守恒无法违反

今天中午在一个物理讨论群里看到有同学发了一个视频,视频中的人用磁铁和散热风扇制造了一个类似于永动机的装置。只要用别的磁铁靠近这个装置,风扇就会转动起来,发出的电能还能点亮 [公式] (发光二极管) 和给手机充电。如下:


一般遇到涉及永动机、证明哥德巴赫猜想这类的话题时,我都不参与讨论。因为各种各样的永动机归根结底都是这种(手动狗头):

但是这个视频看起来还算正常,算是挑起了我的兴趣,顺便还可以借此机会向大家科普一下,如何辨识伪科学

首先,在现代,物理定律已经在非常高的精度下被实验验证过很多次了,即使能量守恒不成立,也不会以这么明显的方式显示出来。所以,请各位务必放弃能量不守恒的想法。视频内的扇叶能转动起来,肯定有相应的能量来源。通过观察整个视频,可以总结出以下三个可能性:

[公式] 能量来源于磁铁的磁能;

[公式] 能量来自手所做的功;

[公式] 视频造假。(关于这一点,还可以细分为“视频被恶意处理过”和“装置造假”两方面。)

先来看第一个可能性。我们需要一些数据。(考虑到普通人的非专业性,以下所有引用的数据都来自搜索引擎,任何人都可以轻易复现本文的分析过程。)

白色 [公式] 的工作电压一般是 [公式] ,工作电流一般是 [公式] ,功率是 [公式] 左右。视频内的 [公式] 亮度正常,因此可以假设它处于正常的工作状态。

磁铁我们假设是磁力最大的钕铁硼磁铁,磁能密度甚至可以达到 [公式] ,也就是 [公式] (但是一般是 [公式] ,这里往大里取值)。视频内的磁铁我们估算体积为 [公式] ,用了 [公式] 块磁铁。假设全部磁能都用来点亮 [公式] ,则可以点亮的时间为:

[公式]

以上计算出的时间还没有考虑发电效率。因为这个发电装置还带有扇叶,一部分能量还要分配给空气,可见发电效率很低,所以可以预估正常的点亮时间低于 [公式] 秒。而这个视频灯亮的总时间约为 [公式] 秒,并且,因为磁能的消耗必然导致磁铁磁力下降,从而影响转速,但是扇叶并没有明显的减速。于是,上文提出的第一个可能性可以排除掉了。(如果按 [公式] 来算,点亮时间还不到 [公式] 秒)

再来看第二个可能性。我们预估整个装置质量为 [公式] ,而用手拿着磁铁作用上去,整个装置都不动,可见作用力并不大。另一个证据是,磁铁之间的相互作用力会立刻使得扇叶转动,而扇叶很轻。这个力很容易估算,在这里我们取为 [公式] (可以提起半公斤质量的物体了),向前作用了约 [公式] ,于是做的功为 [公式] ,所以点亮时间为:

[公式]

这还没有算上发电效率呢!于是,手做功提供能量的可能性也被排除

现在只剩最后一个可能性了:视频造假。

到了这一步,我们需要找到足够的证据来证明这个视频是假的。因为该视频引人关注的点主要还是能量来源问题,于是我们就紧抓这一点,我们要问,风扇真的在发电吗?于是,我特意去测量了视频中装置的停机时间(准确地说,是手离开装置,到扇叶停下来的这个时间间隔)。我用了两个方法来测,第一个方法是电脑播放视频,手机手动计时,第二个方法是用视频软件将视频分解成一帧帧地来测量时间。数据如下:

空载时三次停机:

分帧:0:53.80 —— 0:58.00 间隔 [公式] 秒;手机计时:3.96秒

分帧:1:02.00 —— 1:06.00 间隔 [公式] 秒;手机计时:3.73秒

分帧:1:09.48 —— 1:13.64 间隔 [公式] 秒;手机计时:3.93秒

接上 [公式] 时两次停机:

分帧:1:28.56 —— 1:34.92 间隔 [公式] 秒;手机计时:6.44秒

分帧:1:43.56 —— 1:49.12 间隔 [公式] 秒;手机计时:5.70秒

给手机充电时两次停机:

分帧:2:34.16 —— 2:38.16 间隔 [公式] 秒;手机计时:4.00秒

分帧:2:53.16 —— 2:56.64 间隔 [公式] 秒;手机计时:3.60秒

手机计时和视频分帧计时得到的结果相差不大,所以没有视频处理软件的读者,完全可以用手机计时复现这里的测量。不过考虑到视频分帧计时的准确性更高,所以下面讨论只使用视频分帧计时的数据。在空载的时候,停机时间都差不多是 [公式] 秒,可见这样测量是比较合理的。

发电机空载运行的时候,因为没有电流产生,所以没有抵抗转子转动的电磁力出现,于是转速会比有负载的时候高得多,从而需要更长的停机过程。同样,因为有负载存在,而不是线路短接,所以可以忽视线圈的自感效应导致的停机延长问题。然而,测量出来的数据显示,有 [公式] 负载时的停机时间竟然比空载时还要长,而手机负载的停机时间竟然和空载时差不多,这很明显不符合物理规律。所以,我们可以较为肯定地知道,这个视频是假的了。

如果我们再仔细地观察,就会发现停机过程中 [公式] 熄灭的情况有点不对劲。为了让读者清楚这个不对劲在哪里,我特意把这个停机过程裁剪下来,并将播放速度调为原来的 [公式] :

八分之一播放速度下的停机过程

从这个视频可以看到,手离开之后, [公式] 一直保持着恒定的亮度,然后突然熄灭。这期间并没有一个逐渐变暗的过程。而且这还是 [公式] 的播放速度,正常的 [公式] 哪有这么陡峭的伏安特性。所以,我猜测,这个装置是假的发电机,里边有独立的供电系统, [公式] 和扇叶都是由内部的电源来供电的。装置内部有特殊的触发开关,比如无线开关等等。也就是说,[公式] 断电的同时,扇叶才真正地开始停机,那么,这个停机时间就应该等于“空载”时的停机时间。于是,我又测量了视频中两次这样的停机时间:

第一次: [公式] 熄灭:1:30.88,扇叶停止:1:34.92,间隔 [公式] 秒;

第二次: [公式] 熄灭:1:45.04,扇叶停止:1:49.12,间隔 [公式] 秒。

真的等于“空载”时的 [公式] 秒!

同样,我们也可以解释为什么 [公式] 负载的两次“停机时间”的差异了,是因为拍视频的人在移开手之后不等长的时间内关停装置。给手机充电时的“停机时间”差异也可以这样解释。可惜,因为很多手机关机状态下充电,即使拔掉电源,也会继续显示充电标志持续一会,因此我们并不知道视频里边给手机充电时的准确停机时刻。不过,拔掉电源到充电标志熄灭这段时间是固定的,因此我们可以从充电标志熄灭开始测量,直到扇叶停下来的时间。视频中出现两次手机充电的停机,这两次对应的时间间隔应该一样。测量结果如下:

第一次:充电标志熄灭:2:37.48,扇叶停止:2:38.16,间隔 [公式] 秒;

第二次:充电标志熄灭:2:56.00,扇叶停止:2:56.64,间隔 [公式] 秒。

这再一次和我们的猜想相符合。

至此,我们可以以很高的正确率(但不是 [公式] )宣布这个视频是装置造假了


本文的后半部分,就是一个新的科学理论从提出到验证的过程缩影:为解决一个问题提出相应猜想,这个猜想能解决原来的问题,并且给出了新的预言(预言了从 [公式] 熄灭到风扇停转的时间是 [公式] 秒,预言了手机充电标志熄灭到风扇停转的时间恒定),然后预言得到了实验验证。没有新预言的理论不是好理论。

不过,后面两个“预言”也可以用视频作者预设的磁发电来解释:转子转速低于某个阈值后, [公式] 熄灭,手机不再被充电,于是从 [公式] 熄灭到风扇停转的时间恒定,手机充电标志熄灭到风扇停转的时间也恒定,至于为什么从 [公式] 熄灭到风扇停转的时间刚好等于“空载停机时间 [公式] 秒”,可以解释为巧合。不过,磁发电无法解释能量来源,无法解释为什么负载停机时间更长,无法解释为什么 [公式] 慢速播放停机过程下 [公式] 亮度毫无变化而突然熄灭。

所以,视频中的装置造假是一个相对更合理的解释


(声明:没有动植物在此次的实验中受伤。有部分视频为此实验献了身,它被实验员裁去了头尾,拉长到了 [公式] 倍,并被捂住了嘴巴,全程无法发声。不过它表示术后恢复良好,只要大家多点赞,它就又可以长出一个头来)


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