Униполярный генератор

Униполярный генератор

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Содержание

• 1 Принцип действия
• 2 История
  • 2.1 Диск Фарадея
  • 2.2 Патенты и некоторые практические конструкции
  • 2.3 Генератор для рельсотрона
  • 2.4 Физика плазмы, МГД генераторы
  • 2.5 Астрофизика
  • 2.6 Псевдонаучное шарлатанство
• 3 Ссылки
• 4 См. также

Принцип действия [ править ]

В классическом представлении, на электроны, находящиеся в диске, действует сила Лоренца:

(в СИ)

В режиме холостого хода (без нагрузки), генератор создаёт на выходных контактах напряжение . При этом электроны в цепи не движутся [1] , поэтому сила Лоренца, записанная ранее, равна нулю [2] . Но второе слагаемое [3] в силе Лоренса, пропорциональное векторному произведению напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником, не равно нулю. Получается, первое слагаемое компенсирует второе. В результате, при вращении диска возникает напряжённость электрического поля, которую можно рассчитать, выразив её из уравнения для силы Лоренца:

(в СИ)

где это угловая скорость помноженная на радиус (расстояние от оси диска до рассматриваемого участка диска), то есть это линейная скорость рассматриваемого участка диска. Чем дальше от оси вращения, тем больше напряжённость электрического поля в рассматриваемом участке диска.

Разность потенциалов, или, иначе говоря, напряжение, интегрируется из напряжённости. Получается: в вольтах, где R это радиус диска.

Однако эта модель не объясняет работы генератора при вращающемся магните. [источник не указан 1568 дней] Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся теорией относительности.

История [ править ]

Диск Фарадея [ править ]

В 1831 году Майкл Фарадей, открыв закон электромагнитной индукции, помимо прочих экспериментов, построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую — диск Фарадея. Это было чрезвычайно неэффективное устройство, однако оно имело значительную ценность для дальнейшего развития науки.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался. Наибольшее же удивление вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается следующей таблицей, в которой описаны различные комбинации из вращения и неподвижности частей установки, и восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита.

Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся теорией относительности. [4]

Патенты и некоторые практические конструкции [ править ]

• Charles E. Ball (US238631; March 1881), en:Sebastian Ziani de Ferranti, en:Charles Batchelor получили самые ранние известные патенты на конструкции униполярных генераторов.
• Никола Тесла ( U.S. Patent 406 968 ) разработал конструкцию, в которой вращались на параллельных осях два диска в разных по направлению магнитных полях связаные металлическим ремнем.
• В 1989 году в Австралии действовал униполярный генератор, вырабатывавший ток 1500 кА при напряжении 800 В.

Генератор для рельсотрона [ править ]

Такие положительные свойства униполярных генераторов, как простота, надёжность и стоимость, проявляются в основном в применениях, где необходимо получить низкие напряжения (порядка 10 вольт) при высоком токе. [5] Одним из таких применений стал генератор для рельсотрона. Так, по инициативе Марк Олифанта, в австралийской национальной лаборатории был построен крупный униполярный генератор, ставший надёжным источником мегаамперных импульсов для рельсотрона, а позже он использовался в токамаке LT4 для возбуждения плазмы. [6]

Физика плазмы, МГД генераторы [ править ]

Астрофизика [ править ]

Наиболее существенной сферой современного применения представления об униполярном генераторе является астрофизика. В ряде звёздных систем в космосе наблюдаются природные магнитные поля и проводящие диски из плазмы, поведение которых как бы повторяет опыты Фарадея и Теслы.

Псевдонаучное шарлатанство [ править ]

Данный тип электрических машин неоднократно использовался для построения вечного двигателя, источника даровой энергии и тому подобных мистификаций.

Наиболее известна история так называемой «N-машины» Брюса де Пальма (2 октября 1935 — октябрь 1997), который декларировал, что в его конструкции произведённая диском Фарадея энергия будет в пять раз больше, чем затраченная на его вращение. Однако в 1997 году, уже после смерти Брюса де Пальма, построенный экземпляр его машины был официально испытан с отрицательным результатом. Произведённая энергия рассеивалась в виде тепла, и величина её не превышала затраченной.

Основой для таких спекуляций служит неверное понимание известного «парадокса Фарадея» и представление о том, что разрешение этого «парадокса» кроется в каких-то особых полях и свойствах пространства (например, «торсионных»).

Также встречаются конструкции «униполярных генераторов» и двигателей, авторы которых рекламируют колоссальный выигрыш по сравнению с традиционными электрическими машинами.

Также муссируется буквальное («однополюсный») понимание неверно применённого к данному классу устройств термин «униполярный» (homopolar). На самом деле эти устройства следовало бы правильнее называть «устройствами однородного магнитного поля, постоянного тока и некоммутируемого соединения ротора», так как в прочих электрических машинах используется и/или неоднородное магнитное поле и/или переменный ток и/или коммутация частей обмотки ротора.

Дополнительные сложности при объяснении работы униполярных электрических машин вызывает представление о движении носителей заряда, электронов, в частности термин «скорость». Во-первых, сразу возникает вопрос о том, скорость относительно чего мы рассматриваем в данном случае. Во-вторых, ознакомление невнимательного энтузиаста со специальной теорией относительности может привести его к запутывающему жонглированию понятиями «наблюдатель», «скорость» и тому подобными.

Возникновение и начальный период развития электрических машин

Открытие законов электродинамики Ампером (1822 г.) и законов электромагнитной индукции Фарадеем (1831 г.) не только опровергли старые представления об отсутствии связи между механическими и электрическими явлениями природы, но и создали теоретические предпосылки возможностей получения как механической работы за счет электрической энергии (электродвигатель), так и получения электрической энергии за счет механической работы (электрогенератор).

Для удобства обозрения периода начального развития электрических машин, совпадающего по времени с периодом победы и укрепления капитализма, целесообразно использовать схематическую диаграмму, охватывающую период с 1831 г. — года опубликования работ Фарадея по электромагнитной индукции — до 1871 г. — начала внедрения электрических машин Грамма.

На представленной диаграмме верхняя ветвь посвящена деятельности изобретателей электрического двигателя, а нижняя — деятельности изобретателей электромеханического генератора.

Каждая ветвь имеет свои характерные, качественно отличные периоды развития, указанные на диаграмме, и своих деятелей. Даты характерных изобретений помечены на диаграмме. Кроме того, на диаграмме имеется связующая верхнюю и нижнюю ветвь линия, относящаяся к открытию в 1838 г. академиком Э. X. Ленцем обратимости генераторного и двигательного режимов электрических машин.

Рассмотрим каждую из ветвей диаграммы отдельно. Изобретатели электрического генератора стимулировались в своей работе низким эффектом и большими неудобствами единственных в то время генераторов электрического тока — химических генераторов: вольтова столба или гальванических батарей.

Основой изысканий явился 1871 труд Фарадея, результат которого диктовал им принципиальное решение задачи — движение проводника в магнитном поле.

Схема развития ранних электрических двигателей и генераторов постоянного тока

В опытах Фарадея магнитное поле создавалось применением естественных магнитов, что определило качественное содержание первого этапа развития электромагнитных генераторов, охватывающего период с 1831 по 1851 г. Этот этап характеризуется прежде всего применением постоянных магнитов для получения магнитного поля.

При вращении проводника в виде катушки с намотанной на нее изолированной проволокой этот проводник двигался то параллельно, то перпендикулярно к магнитным силовым линиям, вследствие чего генерируемый ток носил синусоидальный характер, изменяясь и по величине и по направлению. Этот, как сейчас его называют, однофазный переменный ток не находил себе применения, и поэтому второй существенной характеристикой первого этапа развития генераторов явились устройства для выпрямления переменного тока — выпрямляющие коммутаторы.

Магнитоэлектрический генератор Фарадея, известный как «диск Фарадея», завершающий этап его исследований по электромагнетизму: 1 — медный диск;, 2 — подковообразный постоянный магнит, 3— осевой токосниматель, 4 — периферийный токосниматель, 5 — провода, 6 — гальванометр.

В качестве одного из примеров раннего генератора первого этапа изображен генератор из лаборатории Э. X. Ленца.

Около полюсов постоянного подковообразного магнита вращаются пять катушек, для ускорения вращения которых предусмотрена зубчатая передача от большой шестерни к малой. Катушки вращались вручную. Обмотки каждой катушки соединялись с пластинками барабанного коммутатора, по которому скользили контакты. Коммутатор был устроен так, чтобы подавать в цепь ток постоянного направления.

Магнитоэлектрический генератор из лаборатории Э. X. Ленца

Потребность в большем эффекте механических генераторов тока привела к концу первого этапа к своеобразной конструкции компании «Альянс», разработанной Нолле (Бельгия), ван Мальдереном (Франция) и Холмсом (Англия). В этом генераторе установлено 24 постоянных магнита по восьми радиусам по три в ряду. У полюсов этих магнитов проходили, вращаясь, 32 катушки с проводником. Ток, генерируемый в катушках, поступал к 32 пластинам коллектора, с которых снимался посредством роликов.

Общий вид генератора «Альянс»: 1 — один из 24 подковообразных магнитов, 2— одна из 36 вращающихся катушек.

Дальнейшее развитие генераторов по линии увеличения числа магнитов и катушек становилось затруднительным, и генератор «Альянс» явился заключающей машиной первого этапа. Генераторы «Альянс» использовались для питания током дуговых фонарей маяков; в 1857—1865 гг. в эксплуатации находилось около 100 таких машин. Одна из них приводилась в движение паровой машиной мощностью около 10 л. с.

Второй период развития генераторов, длившийся с 1851 по 1867 г., характеризуется отказом от постоянных магнитов и заменой их электромагнитами, причем для питания током электромагнитов использовался отдельный источник тока в виде магнитоэлектрической машины первого этапа или в виде гальванической батареи. Примером такого генератора с независимым возбуждением электромагнитов может служить генератор англичанина Уайльда.

Генератор состоит из двух самостоятельных генераторов, расположенных один над другим и отличающихся тем, что верхний небольшой генератор имеет постоянные подковообразные магниты 1, а нижний — электромагниты с обмоткой 2, питаемой током от верхнего генератора. Оба приводятся в движение ремнями от двигателя.

Генератор Уайльда: 1 — постоянные магниты; 2 — электромагниты.

Машины с независимым возбуждением неизбежно подготовили начало третьего этапа развития генераторов. Действительно, при эксплуатации таких машин легко было установить, что машина не только генерирует ток, будучи питаемой током возбуждения от собственной катушки, но вследствие явления остаточного магнетизма позволяет генерировать ток от состояния покоя. Так возникли электромеханические генераторы тока с самовозбуждением, получившие широкое распространение с 1867 г.

Первый патент на машину с самовозбуждением был получен датчанином Хиортом еще в 1854 г., но опасаясь, что самовозбуждение будет недостаточным, Хиорт поставил в своем генераторе и постоянные магниты. Поэтому машина Хиорта, как переходный тип, не привлекла к себе должного внимания.

Однако в 1866 г. английские инженеры Кромвель и Самуэль Варли, а в начале 1867 г. в один и тот же день немец Вернер Сименс и англичанин Уитстон получили патенты на генераторы с независимым возбуждением.

Теперь вопрос заключался только в изыскании наиболее целесообразных конструктивных форм для того, чтобы наилучшим, наиболее эффективным способом использовать на практике принцип самовозбуждения.

Решающий шаг в этом вопросе был сделан французским изобретателем, бельгийцем по происхождению, Граммом в 1870—1871 гг. Грамм построил генератор с самовозбуждением, придав якорю генератора форму кольца, состоящего из пучка проволоки. Обмотки электромагнитов питались током якоря последовательно: внешняя цепь—коллектор— якорь — коллектор — электромагниты — внешняя цепь. Кольцевой якорь совершенно устранял пульсации тока, значительно увеличивал к.п.д. и уменьшал размеры и вес генератора на единицу развиваемой мощности.

Одна из конструкций генератора Грамма с кольцевым якорем: 1 — обмотки электромагнитов; 2 — полюсные наконечники, охвагы-вающие кольцевой якорь 3; 4 — коллектор; 5 — токосниматель.

В генераторе Грамма совершенно отчетливо проявилась на практике обратимость генераторного и двигательного режимов, установленная еще Э. X. Ленцем (1838 г.) Поэтому на диаграмме линия двигателя и генератора сливаются в точке, соответствующей 1871 г.

Электрические двигатели также имели свои характерные для них качественно отличные этапы развития.

Двигатель Риччи: 1, 2 — катушки; 3 — ртутный токоподводящий коммутатор.

Электродвигатель Б. С. Якоби

Первый этап развития электрического двигателя постоянного тока (1831—1834) берет свое начало от опыта Фарадея, открывшего явления взаимного вращения магнитов и электрических токов. Если через систему, состоящую из чашки со ртутью 1, проводника 8 — 7 — 9, второй чашки со ртутью 2 с выходом проводника в точке 6, пропускать электрический ток от гальванической батареи, то магнит 3 и проводник 9 получат под действием тока вращательное движение.

Этот опыт начал первый этап, характеризующийся конструированием физических приборов, показывающий процесс преобразования электрической энергии в механическую работу.

На втором этапе электрический двигатель выходит за стены научной лаборатории. Этот этап характеризуется практическим направлением конструкторов-изобретателей (1834—1860), предусматривающих замену паровой машины — универсального двигателя XIX в. — электрическим двигателем.

Для второго этапа показательны работы Б. С. Якоби, сконструировавшего в 1834 г. первый образец своего электрического двигателя. П-образные электромагниты этого двигателя располагались двумя группами: одна группа неподвижно закреплена, другая может вращаться. Электромагниты обеих групп питались током от гальванической батареи таким образом, что полярность электромагнитов изменялась, создавая силы притяжения или отталкивания, приводившие к вращению группы подвижных электромагнитов.

Из электрических двигателей, получивших практическое применение в 50-х и 60-х годах XIX в., следует отметить двигатель французского инженера Фромана, применявшийся для привода типографских машин. Электромагниты этого двигателя расположены по окружности (шесть пар, на рисунке верхние две пары сняты для того, чтобы лучше показать якорь двигателя с железными пластинами, притягиваемыми и отталкиваемыми электромагнитами).

Второй период завершился созданием двигателя итальянским профессором Пачинотти, который за десять лет до Грамма, в 1860 г., сконструировал кольцевой якорь. Якорь вращался вокруг вертикальной оси между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь и электромагниты питались током последовательно, как в генераторе Грамма.

Разница состояла только в том, что в машине Грамма кольцевой якорь вращался в плоскости электромагнитов, а в машине Пачинотти — в плоскости, перпендикулярной к плоскости электромагнитов. Характерен тот факт, что Пачинотти указал, что его двигатель может работать в генераторном режиме, т. е., будучи приведенным во вращение, станет вырабатывать электрический ток.

Таким образом, на диаграмме линия развития генераторов сошлась с линией развития двигателей на машине постоянного тока с самовозбуждением и кольцевым якорем, способной работать как двигатель и как генератор тока.

Диск Фарадея

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Содержание

Принцип действия

На электроны, находящиеся в диске, действует Сила Лоренца, являющаяся векторным произведением напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником в результате вращения диска. Сила эта направлена вдоль радиуса диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем.

В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет:

• чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе;
• равномерность получаемого тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами;
• большие собственные потери энергии из-за протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким проводящим токосъёмником по всему периметру диска;

Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов.

История

Диск Фарадея

В 1831 году Майкл Фарадей, открыв закон электромагнитной индукции, помимо прочих экспериментов, построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую — диск Фарадея. Это было чрезвычайно неэффективное устройство, однако оно имело значительную ценность для дальнейшего развития науки.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался. Наибольшее удивление же вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается следующей таблицей, в которой описаны различные комбинации из вращения и неподвижности частей установки, и восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита.

Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся теорией относительности.

Патенты и некоторые практические конструкции

• Charles E. Ball (US238631; March 1881), en:Sebastian Ziani de Ferranti, en:Charles Batchelor получили самые ранние известные патенты на конструкции униполярных генераторов.
• Никола Тесла (U.S. Patent 406,968 (англ.) ) разработал конструкцию, в которой вращались на параллельных осях магнитный и проводящий диск.

• В 1989 году в Австралии дейтсвовал униполярный генератор, вырабатывавший ток 1500 кА при напряжении 800 В.

Физика плазмы, МГД генераторы

Астрофизика

Наиболее существенной сферой современного применения представления об униполярном генераторе является астрофизика. В ряде звёздных систем в космосе наблюдаются природные магнитные поля и проводящие диски из плазмы, поведение которых как бы повторяет опыты Фарадея и Теслы.

Псевдонаучное шарлатанство

Данный тип электрических машин неоднократно использовался для построения вечного двигателя, источника даровой энергии и тому подобных мистификаций.

Наиболее известна история так называемой «N-машины» Брюса де Пальма (2 октября 1935 – октябрь 1997), который декларировал, что в его конструкции произведённая диском Фарадея энергия будет в пять раз больше, чем затраченная на его вращение. Однако в 1997 году, уже после смерти Брюса де Пальма, построенный экземпляр его машины был официально испытан с отрицательным результатом. Произведённая энергия рассеивалась в виде тепла, и величина её не превышала затраченной.

Основой для таких спекуляций служит неверное понимание известного «парадокса Фарадея» и представление о том, что разрешение этого «парадокса» кроется в каких-то особых полях и свойствах пространства (например, «торсионных»).

Также встречаются конструкции «униполярных генераторов» и двигателей, авторы которых рекламируют колоссальный выигрыш по сравнению с традиционными электрическими машинами.

Также муссируется неверно применённый к данному классу устройств термин «униполярный» (homopolar). На самом деле эти устройства следовало бы правильнее называть «устройствами однородного магнитного поля, постоянного тока и некоммутируемого соединения ротора», так как в прочих электрических машинах используется и/или неоднородное магнитное поле и/или переменный ток и/или коммутация частей обмотки ротора.

Дополнительные сложности при объяснении работы униполярных электрических машин вызывает представление о движении носителей заряда, электронов, в частности термин «скорость». Во-первых, сразу возникает вопрос о том, скорость относительно чего мы рассматриваем в данном случае. Во-вторых, ознакомление невнимательного энтузиаста со специальной теорией относительности может привести его к запутывающему жонглированию понятиями «наблюдатель», «скорость» и тому подобными.

Ссылки

• И. Е. Тамм. Основы теории электричества. § 112
• Физическая энциклопедия, т.5, стр.224, стр.225, статья «Униполярная индукция», авторы Г. В. Пермитин, Ю. В. Чугунов.

См. также

• Униполярная индукция
• Из-за принципа обратимости электрических машин возможен и униполярный электродвигатель.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Дискавери (телеканал)
• Диск жокей

Смотреть что такое «Диск Фарадея» в других словарях:

Закон электромагнитной индукции Фарадея — Классическая электродинамика … Википедия

Униполярный генератор — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Униполярный генератор разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное ма … Википедия

Электрогенератор — Электрогенераторы в начале XX века Электрический генератор это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию. Содержание 1 История … Википедия

Электрический генератор — Основная статья: Электрогенераторы и электродвигатели Электрогенераторы в начале XX века Электрический генератор это устройство, в котором неэлектрические ви … Википедия

МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк — (Maxwell, James Clerk) ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ (1831 1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики. Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода… … Энциклопедия Кольера

Джеймс Клерк Максвелл — James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти … Википедия

Джеймс Максвелл — Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти … Википедия

Максвелл Д. — Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти … Википедия

Максвелл Д. К. — Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти … Википедия

Максвелл Джеймс Клерк — Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти … Википедия

Диск Фарадея — в чем секрет генератора

Дата публикации: 15 октября 2019

• Краткая летопись гениальной задумки
• Принцип действия и применение
• Что можно сделать самостоятельно

Простой, но не до конца изученный диск Фарадея — занимательное устройство. И оно заслуживает внимания. Этот униполярный генератор умеет при низком напряжении производить большой ток, а также выделять большое количество энергии.

Краткая летопись гениальной задумки

После открытия закона электромагнитной индукции путем многочисленных экспериментов Майклу Фарадею удалось изобрести и первый генератор. Простая установка наглядно демонстрировала трансформацию механической энергии в электрическую. Незатейливая конструкция представляла собой медный диск, который вращался между полюсами постоянного магнита.

Ее недостатки заключались в больших потерях и возникновении противотоков. Устройство признали неэффективным, но не забыли. Много лет ученые пытались модернизировать генератор Фарадея.

Один из значимых примеров такого усовершенствования — разработка Николы Теслы. В ней параллельные диски разделялись металлическим ремнем, что уменьшало потери на трение и значительно повышало эффективность прибора.

В 1950-е годы обнаружилась полезность униполярного генератора Фарадея в импульсных силовых установках. Выяснилось, что он умеет аккумулировать энергию длительный период и молниеносно ее выделять. Появились масштабные разновидности конструкций. Одна из них, созданная Майклом Олифантом, прослужила 20 лет и выдавала ток до 2 МА. Ее элементы выставлены как памятник.

Прототипы изобретения прошли долгий путь. И назывались по-разному. До сих пор инженеры, ученые работают и улучшают производительность устройства. В качестве одного из подходов к таким трансформациям они пользуются численным электродинамическим моделированием.

Принцип действия и применение

Принцип работы диска Фарадея заключается в следующем. Когда он вращается, на электроны вдоль радиуса действует сила Лоренца. Она возникает в результате напряженности магнитного поля плюс скорости перемещения самого электрона и проводника. Между краем и центром диска при этом производится ЭДС.

В чем отличие этого генератора от похожих машин:

• ЭДС и внутреннее сопротивление низкие, а ток большой;
• получаемый ток равномерный, его не нужно коммутировать с коллектором ротора или применять внешние приборы для выпрямления полученного другими аппаратами тока;
• по диску протекают обратные токи, которые его бесполезно нагревают, что приводит к существенным собственным потерям.

Последняя проблема не полностью, но решается, если в конструкции по периметру диска присутствует жидкий проводящий токосъемник. Лучшие результаты показывает устройство, где два диска вращаются навстречу и касаются друг друга.

То, как устроен генератор Фарадея с диском, и сочетание всех свойств обуславливает его использование в специфических условиях: когда малое напряжение, но необходимо получение постоянного тока большой величины. Или нужен мотор, который работает от мощных аккумуляторов с малым напряжением (автомобили, тракторы). Простой, надежный и дешевый прибор нашел применение и в рельсотроне.

Интересный факт: в некоторых звездных системах наблюдаются «копии» опытов ученых. Астрофизики имеют возможность следить за природными магнитными полями и проводящими дисками из плазмы. Уже есть предпосылки для использования энергии космоса человеком.

Что можно сделать самостоятельно

Тем, кто неравнодушен к миру физики и электроники, наверняка захочется смастерить генератор Фарадея своими руками. Пусть это будет фонарик, независимый от источников питания.

Его изготовление требует наличия:

• медицинского шприца (20 мл);
• дрели;
• изоленты;
• светодиодов;
• проволоки;
• неодимовых магнитов;
• паяльника с флюсом и припоем;
• клея;
• проволоки;
• пары проводов;
• картона.

На корпус от шприца устанавливаем два картонных кольца, приклеиваем их. Наматываем проволоку электродрелью — делаем катушку. Прикрепляем резиновую прокладку.

Зачищаем, залуживаем выводы, припаиваем к ним провода, фиксируем изолентой. К проводам присоединяем диоды и отправляем в шприц магниты. Подробнее показано в видео.

При совершении возвратно-поступательных движений в катушке возникнет ЭДС, выработается ток, который запитает диоды. Простейшую самоделку можно усовершенствовать, чтобы ток накапливался, а свечение было постоянным. Для чего на выводы нужно установить ионистор или конденсатор.

Кто знает, вдруг после таких простейших опытов кто-нибудь все-таки сконструирует вечный двигатель, источник бесплатной энергии или пока неизвестный человечеству прибор.

• Возобновляемый водород на Большом острове
• Солнечный кооператив помогает перейти на зеленую энергию
• 2015-02-25: Результаты и прогнозы развития энергетики
• Возобновляемые источники энергии в национальном парке «Онежское Поморье»

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Униполярный генератор

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Содержание

• 1 Принцип действия
• 2 История
  • 2.1 Диск Фарадея
  • 2.2 Патенты и некоторые практические конструкции
  • 2.3 Генератор для рельсотрона
  • 2.4 Физика плазмы, МГД генераторы
  • 2.5 Астрофизика
  • 2.6 Псевдонаучное шарлатанство
• 3 Ссылки
• 4 См. также

Принцип действия [ править | править код ]

В классическом представлении, на электроны, находящиеся в диске, действует сила Лоренца:

F = q ( E + [ v × B ] ) =qleft(mathbf +[mathbf times mathbf ]right)> (в СИ)

В режиме холостого хода (без нагрузки), генератор создаёт на выходных контактах напряжение U x x > . При этом электроны в цепи не движутся [1] , поэтому сила Лоренца, записанная ранее, равна нулю [2] . Но второе слагаемое [3] в силе Лоренца, пропорциональное векторному произведению напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником, не равно нулю. Получается, первое слагаемое компенсирует второе. В результате, при вращении диска возникает напряжённость электрического поля, которую можно рассчитать, выразив её из уравнения для силы Лоренца:

E x x = − Ω ⋅ r ⋅ B > =-mathbf cdot mathbf cdot mathbf > (в СИ)

где Ω ⋅ r cdot mathbf > это угловая скорость помноженная на радиус (расстояние от оси диска до рассматриваемого участка диска), то есть это линейная скорость рассматриваемого участка диска. Чем дальше от оси вращения, тем больше напряжённость электрического поля в рассматриваемом участке диска.

Разность потенциалов, или, иначе говоря, напряжение, интегрируется из напряжённости. Получается: U x x = Ω R 2 B 2 = mathbf ^<2>mathbf ><2>>> в вольтах, где R это радиус диска.

История [ править | править код ]

Диск Фарадея [ править | править код ]

В 1831 году Майкл Фарадей, открыв закон электромагнитной индукции, помимо прочих экспериментов, построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую — диск Фарадея. Это было чрезвычайно неэффективное устройство, однако оно имело значительную ценность для дальнейшего развития науки.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался. Наибольшее же удивление вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается следующей таблицей, в которой описаны различные комбинации из вращения и неподвижности частей установки, и восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита.

Униполярная индукция – релятивистский эффект, в котором ясно проявляется относительный характер деления электромагнитного поля на электрическое и магнитное. [4]

Патенты и некоторые практические конструкции [ править | править код ]

• Charles E. Ball (US238631; March 1881), en:Sebastian Ziani de Ferranti, en:Charles Batchelor получили самые ранние известные патенты на конструкции униполярных генераторов.
• Никола Тесла ( U.S. Patent 406,968 ) разработал конструкцию, в которой вращались на параллельных осях два диска в разных по направлению магнитных полях связаные металлическим ремнём.
• В 1989 году в Австралии действовал униполярный генератор, вырабатывавший ток 1500 кА при напряжении 800 В.

Генератор для рельсотрона [ править | править код ]

Такие положительные свойства униполярных генераторов, как простота, надёжность и стоимость, проявляются в основном в применениях, где необходимо получить низкие напряжения (порядка 10 вольт) при высоком токе. [5] Одним из таких применений стал генератор для рельсотрона. Так, по инициативе Марк Олифанта, в австралийской национальной лаборатории был построен крупный униполярный генератор, ставший надёжным источником мегаамперных импульсов для рельсотрона, а позже он использовался в токамаке LT4 для возбуждения плазмы. [6]

Физика плазмы, МГД генераторы [ править | править код ]

Астрофизика [ править | править код ]

Наиболее существенной сферой современного применения представления об униполярном генераторе является астрофизика. В ряде звёздных систем в космосе наблюдаются природные магнитные поля и проводящие диски из плазмы, поведение которых как бы повторяет опыты Фарадея и Теслы.

Псевдонаучное шарлатанство [ править | править код ]

Данный тип электрических машин неоднократно использовался для построения вечного двигателя, источника даровой энергии и тому подобных мистификаций.

Наиболее известна история так называемой «N-машины» Брюса де Пальма (2 октября 1935 — октябрь 1997), который декларировал, что в его конструкции произведённая диском Фарадея энергия будет в пять раз больше, чем затраченная на его вращение. Однако в 1997 году, уже после смерти Брюса де Пальма, построенный экземпляр его машины был официально испытан с отрицательным результатом. Произведённая энергия рассеивалась в виде тепла, и величина её не превышала затраченной.

Основой для таких спекуляций служит неверное понимание известного «парадокса Фарадея» и представление о том, что разрешение этого «парадокса» кроется в каких-то особых полях и свойствах пространства (например, «торсионных»), а также утверждение о том, что в униполярных генераторах отсутствует обратная ЭДС, противодействующая вращению при замыкании тока через нагрузку.

Также встречаются конструкции «униполярных генераторов» и двигателей, авторы которых рекламируют колоссальный выигрыш по сравнению с традиционными электрическими машинами.

Также муссируется буквальное («однополюсный») понимание неверно применённого к данному классу устройств термин «униполярный» (homopolar). На самом деле эти устройства следовало бы правильнее называть «устройствами однородного магнитного поля, постоянного тока и некоммутируемого соединения ротора», так как в прочих электрических машинах используется и/или неоднородное магнитное поле и/или переменный ток и/или коммутация частей обмотки ротора.

Дополнительные сложности при объяснении работы униполярных электрических машин вызывает представление о движении носителей заряда, электронов, в частности термин «скорость». Во-первых, сразу возникает вопрос о том, скорость относительно чего мы рассматриваем в данном случае. Во-вторых, ознакомление невнимательного энтузиаста со специальной теорией относительности может привести его к запутывающему жонглированию понятиями «наблюдатель», «скорость» и тому подобными.