Униполярный двигатель принцип работы

Униполярный двигатель принцип работы

Удивительная униполярная машина.

Униполярным двигателям и генераторам, как в прошлом, так и в настоящем, уделяется большое внимание. Хотя используются такие моторы и генераторы в специфических условиях. Например, когда надо получить постоянный электрический ток большой величины, но при малом напряжении. Или получить мотор, работающий от мощных аккумуляторов с небольшим напряжением, таких как магнето на автомобилях, тракторах и т.п.

Униполярный электродвигатель — разновидность электрических машин постоянного тока . Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1-й токосъёмник на оси диска и 2-ой токосъёмник у края диска.

Рис. 1. Простой униполярный двигатель.

Вот наглядная демонстрация работы униполярного электродвигателя (рис.1). На головке шурупа находится постоянный магнит, сила которого удерживает шуруп притянутым к полюсу батарейки. При соединении свободного полюса батарейки с краем магнита магнит вместе шурупом начинает довольно резво вращаться.

Первый униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу , описав его в книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 году . Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колёса с магнитным полем постоянных магнитов колёса вращаются. Барлоу выяснил, что при перемене контактов или положения магнитных полюсов происходит смена направления вращения колёс на противоположное.

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

Рис.2. Диск Фарадея, первый униполярный генератор

С позиций официальной электродинамики принцип действия униполярного генератора простой. Есть смысл его привести. 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.

Чтобы принцип работы униполярного мотора и генератора был более понятным, воспользуемся рис.3. Данный рисунок составлен из двух рисунков, взятых с одного форума в Интернете.

Рис.3. Объяснение работы униполярного мотора и генератора.

Рис.4. Еще одна схема для ознакомления с принципами работы униполярного двигателя и генератора.

В данных схемах предполагается, что магнит одновременно является как носителем магнитного поля, так и проводником электрического тока. Хотя с таким же успехом функции магнита можно разделить между диском из материала с высокой проводимостью и отдельным магнитом для создания магнитного поля. В этом случае необязательно, чтобы магнитное поле покрывало весь диск, достаточно, чтобы магнитное поле присутствовало пространственно только над тем сектором диска, где будет протекать электрический ток в случае, если мы имеем мотор, или над тем сектором, с которого мы будет этот ток получать в случае, если будем использовать конструкцию в качестве генератора. Это позволяет упрощать конструкцию, обеспечивая над нужными участками вращающего диска магнитное поле нужной напряженности, использую магниты (электромагниты) меньших габаритов при той же напряженности создаваемого магнитного поля.

Но вернёмся к униполярному динамо или мотору. Как для униполярного мотора, так и для униполярного генератора важно, чтобы вращался электропроводный диск, который должен обладать небольшим внутренним сопротивлением (золото, серебро, медь). Магнит может не вращаться или он может вращаться как вместе с диском, так и сам по себе, но исключительно параллельно вращающемуся диску. Данное открытие было сделано А. Родиным. Им обнаружено, что реакция на цилиндрическом магните-статоре при вращающемся диске-роторе в униполярном двигателе полностью отсутствует (рис.5). С другой стороны вращение постоянного магнита никак не влияло на вращение диска. Важен лишь факт наличия магнитного поля, его напряженность и направление силовых линий.

Рис. 5. Схема опыта А.Родина.

Внимательно посмотрим на рис.5. А теперь мысленно разделим диск над магнитом на множество мелких секторов. При вращении такого разрезанного на сектора диска каждый сектор превращается в самый обыкновенный проводник, который движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Но из курса физики средней школы мы прекрасно знаем, что в таком проводнике на его концах появляется разность потенциалов, а если по такому проводнику пропускать ток, то он будет двигаться в магнитном поле в плоскости, перпендикулярной направлению силовых линий магнитного поля. Т.е., поведение диска, как совокупности секторов круга, соединенных с центре вокруг оси и ободом на периферии, прекрасно объясняется хорошо известными нам со школьной скамьи законами. Получается, что вместо одного контакта на периферии диска можно использовать несколько контактов, равномерно разместив их по краю диска и соединив их параллельно. Или использовать один кольцевой контакт, обеспечив при этом малое трение между ним и краем диска (ртуть, графит, специальные смазки на основе графита и т.п.).

Никола Тесла в качестве одного из вариантов повышения выходы электроэнергии из униполярного генератора также предложил разбивать диск на секторы, но только не прямые, а в виде своеобразной спирали (рис.6). Тесла, похоже, предложил такую конструкцию для того, чтобы при вращении диска токи, протекающие по секторам, создавали своеобразную плоскую катушку, а значит и магнитное поле. Причем в зависимости от направления спиральных секторов эти токи могли создавать магнитные поля, которые усиливали, либо ослабляли магнитное поле основного магнита.

Но этот способ имеет недостаток в том, что совокупный ток разбивается на потоки по секторам, в самих секторах растет сопротивление, что ведет к снижению мощности генератора. Вместо того чтобы подразделять диск или цилиндр по спирали, как обозначено в Рис.6, более удобно вставить один или более витков между диском и контактным кольцом на периферии, как показано на Рис.7.

Поступить можно немного по-иному. Щётку B’ можно оставить к контакте с диском, а к ней уже присоединить проводник, образующий вокруг диска один или несколько витков вокруг диска. Тогда ток, прежде чем попасть в нагрузку, успевает в силу своего большого значения создать внутри витков (селеноида) мощное магнитное поле, которое, если правильно подобрать направление витков, будет суммироваться с магнитным полем магнита и приводить к увеличению тока, снимаемого с вращающегося диска. Если выбрать другое направление для витков, то можно создать генератор, у которого сила тока на выходе будет при увеличении частоты вращения уменьшаться. Такой генератор, не исключаю, мог бы найти применение в электротехнике, как элемент, свойства которого будут аналогичны такому элементу, как отрицательное сопротивления. Можно в качестве элемента отрицательной связи направлять в такую спираль (катушку) только часть тока, снимаемого с диска. Это позволит ограничить максимальный ток, снимаемый в нагрузку с такого генератора, что позволит предотвратить возможную аварию.

Многие изобретатели пытаются создать тандем из униполярного генератора и униполярного мотора, чтобы частью мощности униполярного генератора питать униполярный мотор, который в свою очередь будет вращать диск униполярного генератора. Теоретически это сделать можно. Но надо не мудрить, а посадить на общую ось и униполярный генератор, и униполярный мотор. Так как для вращения всей конструкции потребуется преодолевать только силу трения, то униполярный мотор должен иметь должную для этого мощность, для чего потребуется подобрать магнит(ы), между которыми будет вращаться диск униполярного мотора. А вот для диска (дисков) униполярного генератора магниты надо брать более мощные и дополнять их витками проводника для усиления магнитного поля, в котором будут вращаться диски униполярного генератора.

Николу Тесла сделанные усовершенствования полностью не удовлетворили, поэтому он предложил еще один вариант униполярного динамо, в котором постарался в максимальной степени избавиться от недостатков, связанных с контактами (щетками). Дело в том, что любая щетка мешает диску вращаться, так как между щеткой и диском неизбежно трение и искрообразование, которые вместе снижают эффективность и надежность униполярной машины. На рис.8 показано, как Тесла решил эту задачу.

На этом рисунке два униполярных генератора объединены в одно целое устройство. Диски H и K генераторов вращаются в одну сторону, будучи связанные гибким металлическим (электропроводным) поясом L. А вот направление магнитных полей магнитов, между которыми вращаются диски генераторов, противоположное. Поэтому в одном из них токи текут от центра в периферии, а у другого от периферии к центру. Электропроводный пояс L позволяет току с одного диска свободно перейти на другой диск. Остается теперь только снимать ток с валов генераторов, для чего служат контакты F и P, а также зажимы N. Такие контакты (токосъёмы) уже более надежны и проще в изготовлении и эксплуатации, так как линейная скорость вращения вала заметно меньше, чем на краю диска. Естественно данный генератор можно использовать в качестве униполярного двигателя. Никола Тесла предусмотрел шкивы управления M, чтобы можно было вращать один из валов G .

Одним из недостатков униполярного двигателя является получаемое небольшое напряжение – максимум чуть больше 1 вольта. Для удвоения напряжения можно применить такую схему (рис.9).

Рис.9. Униполярка с удвоением напряжения.

В качестве магнитов можно использовать два подковообразных магнита, тогда в области дуг этих магнитов придется просверлить отверстия для вала диска. Данный вариант, наверное, будет самым лучшим, так как позволит замкнуть силовые линии магнитов в максимальной степени, что позволит продлить срок эксплуатации магнитов, так как не исключено, что со временем магниты могут размагничиваться. Но можно взять два магнита «Сибирский Коля». Один разместить сверху диска, а второй снизу так, чтобы магниты «смотрели» друг на друга участками с различными полюсами. Можно из магнита «Сибирский Коля» сделать что-то похожее на подковообразный магнит, если полюса, не обращенные к диску замкнуть между собой «скобой» из магнитомягкого железа.

Разместив щетки на противоположных концах диаметров диска, как это показано на рис.9 мы сможем получать постоянный ток, напряжение которого будет примерно в 2 раза больше, чем, если бы ток снимался с оси и одной из щеток. Действительно, на одной половине диска (справа) направление магнитного поля будет сверху вниз, а слева магнитное поле будет направлено снизу вверх. Значит, при выборе направления вращения ток в одной из половин диска будет течь от щетки к оси, а на другой половине диска – от оси к другой щетке. Конечно, при этом увеличится вдвое сопротивление, а значит, ток не изменится по сравнению с классическим униполярным двигателем, но это уже инженерам решать, когда им важнее ток, а когда напряжение.

Также как и в случае с классическим униполярным генератором можно сделать «шашлык» из магнитов и дисков. И собрать конструкцию, в котором можно диски соединить либо последовательно, либо параллельно. В первом случае можно получить на выходе напряжение, повышенное во столько раз, сколько дисков будет включено в цепочку. А во втором случае мы получим увеличение тока согласно числу подключенных дисков.

Теория Электрической Вселенной. Часть 8: Униполярные электродвигатели

Токи Биркеланда и скручивание двойных нитей тесно связаны с другой концепцией: униполярных электродвигателей (также известных как электродвигатели Фарадея). Их принцип действия базируется на силе, генерируемой благодаря взаимодействию электрического тока с магнитным полем (сила Лоренца, также известная как сила Лапласа). Таким образом, в природе два невидимых типа энергии, а именно магнитные поля и электрические токи, могут взаимодействовать между собой и генерировать довольно осязаемую механическую силу — силу Лоренца.

Сила Лоренца пропорциональна электрическому току и силе магнитного поля. Чем сильнее электрический ток и электромагнитное поле, тем сильнее результирующая сила Лоренца. По этому принципу работают униполярные электродвигатели, самая простая разновидность двигателя. Это также основной принцип, по которому работают большинство других электродвигателей.

Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, сформированной электрическим током и магнитными полями. Если вы будете держать вашу правую руку, как показано на рис. 24, тогда сила Лоренца (F) будет действовать кнаружи ладони вашей руки, если вы представите, что электрический ток (I) протекает через вашу ладонь в направлении вашего вытянутого большого пальца, в то время как магнитное поле (B) действует вверх, в направлении вашего указательного пальца.

На Рис. 25 изображён униполярный электродвигатель, состоящий из (сверху вниз) батареи, винта и магнита. Электропровод замыкает цепь и связывает верхнюю часть батареи с магнитом. Взаимодействие магнитного поля (B — фиолетовый) и силы тока (I — красный) генерирует силу Лоренца (F — зеленый), т.е. электродвижущую силу, вращающую магнит. Результирующее вращение отмечено оранжевым цветом.

Когда Биркеланд был удовлетворен тем, что электроны протекали от катода, он сдвинул рывком переключатель позади камеры и привел в действие электромагнит в террелле. В течение нескольких секунд можно было наблюдать розовое свечение, окружающее прототип Земли на экваторе. Когда Биркеланд увеличил силу магнитного поля вокруг терреллы, кольцо разделилось на 2 других кольца, которые начали двигаться в сторону полюсов. Публика затаила дыхание, когда 2 спиральных кольца фосфоресцирующего света начали парить вокруг полюсов терреллы — поистине сверхъестественное и волшебное зрелище! Несколько минут спустя, Биркеланд обесточил магнит и катод в террелле; свечение исчезло и публика снова вздохнула. [55]

Биркеланд заметил, что перед разделением разрядного кольца разряды были по большей части локализованы в экваториальных и полярных регионах электродов, как показано на рис. 26. Это наводит на мысль о том, что большая часть электричества, инъецированного в электроды на уровне полярных регионов, покинуло терреллу через экваториальную область. Это согласуется с наблюдениями Солнца, показывающими наиболее яркое свечение и более высокую скорость вращения [56] вокруг солнечного экватора.

Используя метод аналогии и применяя принципы униполярных электродвигателей к небесным телам, таким как звёзды и планеты, мы обнаружим, что «внутренний» магнит небесного тела играет роль цилиндрического магнита электромотора. Внешний источник энергии небесного тела работает в качестве его батареи электропитания. Частичный вакуум, из которого состоит внешний космос, является эквивалентным неполному вакууму, создаваемому в лабораторных условиях. А ток Биркеланда, пересекающий плазму, окружающую небесное тело, играет роль электропровода, замыкающего цепь при подключении батареи к магниту.

Если небесное тело является проводником, по которому протекает электрический ток и электромагнитное поле, то оно также будет подвержено действию силы Лоренца. В этом смысле звёзды и планеты представляют собой гигантские униполярные двигатели, поэтому они и вращаются. Следовательно, с уменьшением силы электрического тока и/или магнитного поля, уменьшается и скорость их вращения.

Заметьте, что Луна имеет лишь минимальное осевое вращение. Как мы уже пояснили, Луна не обладает двойной прослойкой. У неё также нет собственной плазмосферы, так как её электрический потенциал равен электрическому потенциалу окружающего её пространства. Благодаря этому Луна не подвержена электрическим токам, которые могли бы сгенерировать силу Лоренца, отсюда и практически отсутствующее осевое вращение.

Луна вращается вокруг своей оси с той же скоростью, с которой она делает полный оборот вокруг Земли, на что ей требуется 27 дней. Вот почему мы видим с Земли всегда только одну её сторону.

Причиной такого замедленного осевого вращения Луны является, вероятно, её остаточный магнетизм. [57]

Для космологов плазмы движущей силой вращающихся звёзд является, конечно, электричество:

. В пределах видимой Вселенной мы обнаруживаем магнитные поля, связывающие галактики и показывающие, что галактики представляют собой «бусины, нанизанные на нить» вдоль космических линий электропередач. Расположенные на них галактики и звёзды вращаются подобно простейшим электромоторам, известным как «униполярные» электромоторы, или двигатели Фарадея. Вездесущие спиральные рукава галактик следуют траектории движения электрического тока между галактическим ядром и периферией. С электрической точки зрения, мы делаем простое наблюдение, что увеличение поступления электрического тока к звёздам приводит к увеличению максимальной скорости вращения. [58]

В 3-й части этой книги мы рассмотрим, какую роль играет сила Лоренца (результат взаимодействия между электрическим током и магнитным полем) в многочисленных природных явлениях на Земле.

В 1-й части этой книги мы представили основные идеи теории Электрической Вселенной и плазменной космологии: первостепенную роль электрически заряженной плазмы, как различные электрические потенциалы формируются вокруг небесных тел и регулируют электрический градиент, через который может протекать ток, относительные заряды небесных тел в нашей Солнечной системе, а также роль электричества (а именно силы Лоренца) в структурном формировании галактик и солнечных систем и их вращении. Во 2-й части мы рассмотрим подробнее теорию Немезиды и то, как она согласуется с системой взглядов, базирующейся на рассмотренных концепциях.

[55]: Jago, L., The Northern Lights, Alfred A. Knopf, 2001

[56]: Согласно движению солнечных пятен период обращения Солнца на экваторе составляет 27 дней и всего лишь 31 день на полюсах.

[57]: Как уже было упомянуто, Луна не всегда была лишена магнитосферы. Поверхность Луны проявляет остаточный магнетизм, как показали пробы грунта, собранные во время полетов Аполлона. См.: Scott, D. E., The Electric Sky, стр. 214

[58]: Там же, стр. 130

Комментарий: Читайте все переведенные главы из книги Пьерра Лескодро (Pierre Lescaudron) «Земные изменения и взаимосвязь между человеком и космосом» (Earth Changes and the Human Cosmic Connection), и другие интересные статьи, имеющие отношение к этой же тематике:

Pierre Lescaudron

Пьерр Лескодро (M.Sc, MBA) родился в 1972 г. в Тулузе, Франция. Он сделал карьеру в административном руководстве, консалтинге и обучении аспирантов высокотехнологичных областей науки и промышленности.

Позже он стал редактором SOTT.net, исполнив свою заветную мечту изучать науку, технологию и историю.

Ему особенно нравится «связывать различные факты в единое целое» и сочетать области науки, которые традиционно считаются несвязанными между собой.

Творческие проекты и работы учащихся

В процессе работы над индивидуальным проектом по физике «Униполярный двигатель» ученик 10 класса раскрыл понятие «униполярный двигатель» и «униполярная индукция», а также проследил связь между электричеством и магнетизмом, описал принцип работы униполярного двигателя и особенности этого механизма.

Подробнее о проекте:

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике «Униполярный двигатель» автор дает определение и описывает принцип работы самоподдерживающего генератора и униполярного, а также рассматривает планету Земля в качестве природного униполярного индуктора. Практическая часть исследования была проведена с целью на простейших устройствах понять, как работает униполярный двигатель.

Оглавление

Введение
1. Из истории развития униполярных двигателей.
1.1 Открытия Майкла Фарадея.
1.2 Парадокс Фарадея.
1.3 Никола Тесла.
1.4 Самоподдерживающий генератор.
2. Принцип действия униполярного генератора.
3. Эксперимент.
Заключение
Литература

Введение

источник тока (пальчиковая батарейка), магнит, медные проводники, соединительные провода, вольтметр (амперметр).

Инструкция (процесс сборки и результат)

1. Поместить магнит на отрицательный контакт батарейки. Используемый в примере магнит 1,25 см в диаметре и 0.65 см толщиной. Подойдет любой магнит похожего размера, но обычные керамические магниты слишком слабые, поэтому лучше использовать неодимовый.
2. Если проволока имеет изоляцию, то ее необходимо снять. Согнуть проволоку в любую понравившуюся форму, убедившись, что получившийся контур имеет хороший контакт с положительной клеммой батарейки и по окружности магнита. Придание проволоке красивой и функциональной формы требует определенного терпения. За основу можно взять формы приведенные на фотографиях.
3. Отбалансировать контур на батарейке и, внося в него изменения, добиться чтобы он вращался легко и быстро. Заряда батарейки хватит на несколько минут работы.

Опыт І. (Проведен согласно инструкции)

Результаты эксперимента:

1. При замыкании цепи наблюдалось быстрое вращение проволочной рамки по часовой стрелке.
2. При повороте магнита на 180 ̊ вращение рамки происходит против часовой стрелки.
3. Если поменять полюса батарейки при вращении рамки против часовой стрелки, то меняется и направление вращения.
4. При использовании пальчиковой батарейки типа ААА, опыт не удается, необходима более мощная батарейка типа АА.
5. Форма рамки не влияет на скорость вращения.
6. При использовании ферритового магнита опыт не удается, необходим сильный неодимовый магнит.

Объяснение: на свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле действует сила Лоренца, направление которой определяется правилом левой руки. В результате образуется пара сил, вращающих проводник. При недостаточно хорошем электрическом контакте и слабой батарейке или магните вращение не очень быстрое.

Шуруп с магнитом подвешен на положительном электроде батарейке. Шуруп намагничивается и прилипает к батарейке острием, один конец провода соединяется с минусом батарейки, второй конец приближаем к головке шурупа с магнитом. Как только контакт касается магнита, шуруп начинает быстро вращаться.

Вывод: хотя конструкция униполярного двигателя проста, для понимания его принципа работы надо хорошо знать теорию электромагнитных явлений

Заключение

Мне нравится заниматься техническими вопросами. Проведя данную работу, я узнал много нового и неожиданного о униполярном двигателе и генераторе, о применение этих устройств. Я столкнулся с практическими проблемами эксперимента: подбор деталей, изготовление рамок, планирование опытов, поиск информации, оформление отчета о работе.

Эта работа еще раз подтвердила, что научная теория и инженерная мысль неразделимы. Подобные безроторные и вообще униполярные двигатели и генераторы (которые я изучал) пока маломощны и имеют невысокий КПД. Но уже сегодня просматриваются области их применения, например, в приборостроении. Особенно привлекает то, что двигатель не имеет статора и реактивного момента. А кроме того, если эти двигатели и генераторы действительно изменят наше представление о магнитном поле, практическая ценность их может оказаться огромной.

об униполярной индукции, вечных двигателях и атомных реакторах

вообще само понятие «униполярная индукция» мне видится странным, явление электромагнитное и индукция там электромагнитная, а термин «униполярная индукция» возник вследствии непонимания процессов и экзотического вида установки. я буду иногда использовать этот термин для обозначения предмета разговора.

будем предстаять униполярное динамо в таком виде:

поток индукции создается двумя постоянными магнитами «прелепленных» с двух сторон круглой пластины. вся эта конструкция размещается на оси и приводится во вращение. напряжение измеряется относительно центра и точки переферии диска.

каждый может легко сделать такой генератор. вот моя пракитическая реализация из латунного болта от крышки унитаза:

вот еще один «иследователь» здесь скорее интересна сама установка. автор понятия не имет как она работает.

в моей реализации центр диска соединен с осью так что я измерею напрежение между осью и точкой окружности на переферии диска.

на всамом деле это довольно интересное и в тоже время простое явление. однако в тот исторчесмкий момент когда оно было обнаружено, явление считалось пародоксальным, т.к. его открыватель Фарадей не смог приспособить под него только что открытый им закон электромагнитной индукци и в историю науки этот эффект вошел как «парадокс Фарадея«

давайте последовательно разберем причину этого «парадокса»

первое и основное до обнаружения эфекта Фарадей «забыл» открыть электрон и обяснить природу тока в металлах ну и до кучи разработать теорию относительности. электрон был открыт после смерти Фарадея, а наглядный эксперемент о природе проводимости в металлах пославили товарищи Р.Толмен и шотландский физик Стюард. теория относительности вообще появилаь в начале 20 века.

т.е. явление считалось порадоксальным на том уровне знаний. с открытием электрона парадокс естественым образом разрешился. однако последовательное объяснение эффекта дается в рамках теории относительности и простое объяснение эффекта до сего дня не даёт многим покоя.

но продолжаем наш рассказ. что же такого там Фарадей открыл, чего потом не смог внятно прилепить к своей модели генератора? классическая формулировка:

ЭДС электромагнитной индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через контур, взятой с противоположным знаком

давайте разбираться.
первое должно быть изменение потока.
второе этот знак «минус» — символизирует собой закон сохранения энергии. т.е. допустим мы хотим как-то «обегорить» закон сохранения энергии. берем магнит по-здоровее и думаем — ага ща мы все рульнем. но. дело в том, чем больший ток вы наводите — т.е. скорость изменения потока (максимальная амплитуда изменения от — «здрового магнита» до + «здрового магнита» и делать это надо как можно быстрее) да больший ток вы получаете, но тем больше этот ток создает поле которое припятствует изменению возбуждающего поля. т.е. тем больше надо приложить усилий к нашему магниту чем скорость изменения потока больше.

т.е. этот знак минус в законе электромагнитной индукции Фарадея говорит нам о том, что превращаеся в ЭДС не поток индукции (наш здоровый магнит), а работа. т.е. ровно то, о чем нам говорит закон сохранения энергии.

так вот пародокс был в том, что изменения потока не было, а ЭДС была и мало того эта ЭДС зависит от потока магнитной индукции.

эта мысль настолько обескураживающая, что многие не верят собственным глазам и приписивают шарлотанство.

на всамом деле никакой контрреволюции шарлотанства в моих словах нет. в них здравый смысл и жизненная опытность 😉 а налет шарлотанства создаёт недопонимание этого эфекта.

здесь демонстрация закона электромагнитной индукции:

вращение магнита вокруг своей оси не тормозится т.к. поле симметрично относительно оси вращения — говорят аксиальное поле. а падение тормозится так как есть изменение потока индукции и в медном цилиндре наводится ЭДС, которая создает такой ток, чтобы он препятствовал самому изменению возбуждающего потока. что мы и видим — падение магнита тормозится. изменение потока при вращении не происходит. следовательно и тормозить это вращение нечему.

а все ли так просто с вращением постоянного магнита вокруг оси магнитного поля? да же спросим более конкретно — эквивалентны ли случаи вращения магнита вокруг оси магнитного поля и вращение вокруг тойже оси трубы?

интуитивно мы хотим ответить «да» — используя принцип относительности движения Галилея, но в этом кроется ошибка и в действительноси дела обстаят куда как сложнее, так что отделатся принципом относительности движения у нас не получится.

как мы договорились магнит вращается вокруг оси магнитного поля, т.к. поле аксиально равномерное относительно оси вращения — вращение по ижменению напряженности магнитного поля мы определить не можем.

т.е.поле просто равномерное — от вращения оно станет еще более равномерным. кстати так поступают в аппаратах МРТ — вращение используется для увеличения равномерности поля, для создания же градиентных полей используют специальные катушки.

т.е. можно четко сказать, что вращение магнита заметить по изменению напряженности поля практически невозможно и иммено по этому вращение магнита во круг оси, если поле оксиально не затормаживается.

а что же если вращать трубу? тут ситуация намного «смешнее» ведь труба металлическая, а значит в ней присутствуют свобные электроны. при комнатной температуре электроны представляют из себя «электронный газ» т.е. двигаются со значительными скоростями. даже без вращения в равномерном магнитном поле их траектория естественно изменитья т.к. на движущийся заряд будет действовать сила Лоренца. а теперь представим — мы берем трубу и начинаем поворачивать относительно оси поля.

разбирать бвижение каждого отдельного электрона нет смысла. вся эта «каша» частиц особоне интересна. мы пока не будем разбирать все процессы происходящие в трубе просто для себя отметим что, вращение магнита в трубе и вращение трубы вокруг магнита не эквивалентны. в первом случае поле равномерное (аксиальное) и изменения потока магнтной индукции не происходит т.е. магнит можно крутить а можно не — это мло что меняет. во втором случае — черт ногу сломит, пока будем придерживатся упрощеной формулировки — при вращении электрон приобретает дополнительную скрость «поперек» магнитного поля. вот стандартное объяснение в рамках классической электродинамики: под действием силы Лоренца свободные электроны перемещаются внутри тела перпендикулярно направлениям u и B до тех пор, пока в теле не возникнет электрическое поле, препятствующее этому перемещению.

однако «униполярная индукция» — релятивистский эффект

более того магнитние взаимодействия тоже можно расматривать как релятивийский эфект. например: при движении заряженной частицы со скоростью υ в магнитном поле она будет испытывать на себе действие силы Лоренца. cледует уточнить, что в данном случае речь идет о скорости движения частицы относительно магнитного поля. в системе отсчета, относительно которой заряженная частица покоится, она не будет испытывать на себе действие силы Лоренца. т.е. магнитное взаимодействие является относительным. т.е. сушествует единое электромагнитное поле, которое, в зависимости от выбора системы отсчета, проявляется в электрическом или магнитном взаимодействиях. в нашем примере с частицей в ситеме каторой она движется на неё действует сила Лоренца, а ситеме которой она покоится сила Лоренца на неё действовать не может. чтобы вернуть эквивалетность двум системам — они же движутся равномерно относительно друг друга и в механическом смысле иквивалентны, в системе которой частица покоится на неё будеть действовать уже сила Кулона т.е. будет напряженность электрического поля. ситемы стновятся эквивалентны уже в электрическом смысле.

вслучае униполярного генератора: в собственной системе отсчета пластины сущестует только постоянное магнитное поле, а в лабораторной системе отсчета магнит и пластина (см. фотографию моей модели) вращаются. т.е. там имет место уже электрическое поле перпендикулярное магнитному.

но позвольте как так? ведь все эфекты связанные с изменением длины и массы становятся заметными при скоростях близких к скорости света? почему униполярное динамо работает? дело в том, что электронов в металлах довольно много — концентрация порядка 10 28 м -3 , что и объяснет такой неожиданный результат.

ну теперь можно четко сказать т.к. эфект релятивийский то неважно что двигается диск (см. фото модели) или точка контакта — мы можем отличить собственную ситему связаную с пластиной или лабораторную только по действию электромагнитного поля — в лабораторной это электрическое поле, а в собственной инерциальной системе, связанной с пластиной — это магнитное.

из этого можно сделать еще один вывод.

в электрическую мощность преобразуется не работа!

т.е. нам важна скорость изменения точки контакта, поток, НО НЕ РАБОТА т.е. неажно сколько энерги мы тратим на смену точки контакта. стоит отметить, что большой полезный ток будет препятствовать смене точки контакта, но это скорее досадная неприятность, с которой можно бороться.

так что это практически вечный двигатель или точнее принципиально новый атомный реактор, если хотите. магнитное поле создаёт атом. и пока он его создает у установки есть топливо. атом может находится в стабильном состоянии достаточно долго, но нас интересует сохранение достаточно сильного магнитного поля, что конечно сушественно меньше по времени, но существующие магнитные сплавы могут обеспечить несколько десятков лет.

т.е. нужно создать поток индукции по-больше и точку контакта менять по-быстрее.

n — число оборотов всекунду
Ф — поток магнитной индукции.

кстаи обратите внимание я чем эта формула принципиально отличается от закона электромагнитной индукции Фарадея — в ней отсутсвует знак «-«.

вот еще одна демонстрция. к сожалению автор не понимает суть процессов, но как наглядная демонстрацияю особенно интересно значение тока и при этом невидно признаков силного недостатка мощности в системе:

к сожалению автор плохо понимает природу ефекта, что не дает возможности увеличить значение ЭДС — здесь она доли вольта.

прочитав стаью, у иного читателя может сложится впечатление что «вечняк» у него в кармане. это верно лишь отчасти. концептуально показано как можно превратить напряженность магнитного поля в напряженность электрического поля. это кстати придумал не я, а Эйнштейн. однако практическая реализация сталкнется с рядом трудностей вот например:
1. остаточная индукция поятоянных магнитов нужна очень большая — единицы Т.
2. диаметр нужен тоже большой, желательно единицы метров, что мало вероятно.
3. поля полезных токов должны быть компенсированы.
4. энергию на вращение диска нужно затрачивать как можно меньше.

однако не смотря на эти ограничения, подобную машину построить всеже можно. ну во-первых поток индукции нужно создавать в довольно узкой шели, ротор может вращаться и без магнитов, хоть и поток зависит от радиуса в метрах квадратично, можно увеличивать число элементарных генераторов, поля полезных токов можно коменсировать как в машине Форбса. кстати на такую возможность указывал еще Фарадей. более того есть основания считать, что известный в определенных кругах генератор капанадзе — это именно такой генератор. возникает вопрос — «а почему Фарадей быстро не сляпал такой генератор?» ответ банален — было неизчего. т.е. предположим что у нас имется в расряжени магнит диаметром 0.1 метра. 10 сантиметров — не маленький и остаточная индукция 1.5 Тесла. в общем нехилый такой магнит. нужно заметить что таких понадобится два. считаем что весь поток проходит через пластину которая вращается отдельно от магнитов:

как можно видеть поток не такой уж большой. и нужно «нехило» крутить пластину. пусть это 20 оборотов в секунду. тогда ЭДС= 0.9 [В] негусто. отметить, что вряд ли у Фарадея был такой магнит.

таким маленьким напряжением (но большим по бытовым меркам током считаем по закону Омма I=U/R) можно запитать униполярный двигатель, а моментом с этого двигателя (т.е. передачей механической мощности) можно запитать что-то еще.

напомню формулы для примерного расчета ЭДС:

где
n — число оборотов в секунду
Ф=S*B — поток магнитной индукции

Разумный человек

Вот здесь, например, предлагается построить некий простой мотор Стефана Маринова. Уж не знаю, кто такой Стефан Маринов, но на картинке изображен т.н. униполярный двигатель Фарадея и даже сама картинка поперта с Википедии из статьи «Homopolar motor». Конструкция мотора до крайности проста и его изготовление требует покупки разве что сильного магнита — чем сильнее, тем лучше. Это если под рукой не окажется аудиодинамика или наушников, которых не жалко, так что можно вытащить магнит оттуда.

А вот тут можно найти еще более детальные инструкции по изготовлению такого мотора.

Для тех кто не читает по-английски:

Весь мотор состоит из дискообразного магнита (нижняя шайба на рисунке) изготовленного из токопроводящего материала, шурупа (обеспечивающего точечный подвесной контакт для минимизации трения), источника питания (батарейка типа D, но подойдет подойдет любой источник питания выдающий ток в 1-10А в режиме короткого замыкания) являющегося одновременно и контактной площадкой (эти функции можно развести, если есть желание) и проволочки подающей электричество от другой стороны батарейки.

При достаточном токе и силе магнита магнит начинает вращаться и раскручивается до нескольких тысяч оборотов в минуту. Этот эффект связан с возникновением т.н. силы Ампера в проводнике через который течет ток перпендикулярный магнитному полю. Направление силы Ампера перпендикулярно как линиям магнитного поля, так и направлению тока (правило правой руки) и раскручивает диск магнита. При изменении полярности направление вращения меняется на противоположное.

Конструкцию двигателя можно менять и усложнять — например, магнит может не быть токопроводящим, достаточно иметь немагнитный диск из токопроводящего материала закрепленный сверху на той же оси так, чтобы он был соединен с шурупом. Второй контакт (проволочка) может не касаться металла непосредственно, чтобы избежать механического трения — например, круглая крышка банки из-под кофе (металлическая или пластиковая) с налитым в нее электропроводящей жидкостью (раствором медного купороса, к примеру) помещенная между магнитом и шурупом обеспечит замечательный жидкостный контакт практически без трения. Магнит можно заменить электромагнитом. И т.д.

Я видел работающий униполярный двигатель Фарадея — он действительно работает и действительно так как описано. Собственно, я лично и не сомневался, что будет, хотя анализ принципа работы униполярного двигателя может, вообще-то, вызвать некоторые вопросы и недоразумения типа рассмотренных в разделе «Sources of Confusion». Однако в этом разделе, как впрочем, и во многих других статьях и темах форумов посвященных этому двигателю, не упоминается самая главная проблема — этот двигатель нарушает закон сохранения момента импульса.

Любой, кому доводилось разбирать любой электродвигатель знает, что они состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор может быть сделан из постоянного магнита как в простейших моторчиках типа тех, что стояли в советских электрических игрушках или быть электромагнитом — постоянным или переменным. Ротор практически всегда — переменный электромагнит. Движение ротора происходит за счет притягивания и/или отталкивания его от статора, причем в определенных фазах вращения ротора намагничивание ротора, а возможно и статора меняется, так что притягивание и/или отталкивание продолжается сообщая ротору непрерывное вращение.

В предыдущем абзаце обратите внимание на слова — притягивание и отталкивание. Если ротор притягивается к статору, то и статор притягивается к ротору. Если ротор отталкивается от статора, то и статор отталкивается от ротора. В полном соответствии с 3м законом Ньютона. Если вам когда-нибудь приходилось держать в руках электромотор в стадии начальной раскрутки, то вы могли чувствовать, что корпус (со статором внутри него) пытается провернуться в направлении противоположном направлению вращения ротора. Тот самый закон сохранения момента импульса. А теперь посмотрите на двигатель Фарадея — у него нет статора. Ему не от чего отталкиваться. В соответствии с законом сохранения импульса ни магнит, ни двигатель в целом не должны вращаться. А он вращается. Наблюдается так называемое безопорное вращение, в терминологии «альтернативщиков».

Этому эффекту без малого 200 лет и он до сих пор не объяснен официальной наукой. Более того, она старается о нем просто не упоминать (кто сказал — «Нонконспирология»?). И только любители «свободной энергии, вечных двигателей, и антигравитации» говорят о нём, но кто же будет слушать этих юродивых, верно?

Между тем, этот же эффект может быть использован для изготовления линейного двигателя (задача чисто инженерная), что позволяет создать так называемый безопорный двигатель — т.е. двигатель не нуждающийся в отбрасывании от себя других масс в любом виде (так, колесо отбрасывает от себя Землю, винтовой самолет — воздух, ракета — разогретый газ и т.п.). Такой двигатель будет нарушать родственный закон — закон сохранения импульса. Сравните:

Униполярные двигатели

Первым двигателем постоянного тока и первой электрической машиной, в которой преобразование энергии осуществлялось в магнитном поле, был униполярный двигатель Фарадея, предложенный им в 1821 г. (рис. 11). В этом двигателе проводник с током 1 вращался вокруг постоянного магнита 2. Контакт вращающейся части электрической цепи с не­подвижной осуществлялся ртутью 3, налитой в чашку. Преобразо­вание энергии в простейшем по конструкции двигателе Фарадея и других униполярных машинах строго не описывается матема­тическими уравнениями электрических машин.

Униполярные машины в отличие от других электрических машин не получаются из обобщенной машины путем простых рас­суждений, так как в якоре ее протекает постоянный ток и нет преобразователя частоты, который применяется в обычных дви­гателях постоянного тока или вентильных двигателях.

В униполярных машинах как в обмотке возбуждения, так и в обмотке якоря протекает постоянный ток. Убедительным и, пожалуй, единственным объяснением работы униполярных машин может быть то, что при обходе электрической цепи она состоит из двух или нескольких подвижных и неподвижных частей, имеющих скользящий контакт. Нельзя построить бесконтактную униполярную машину.

Рис. 11. Двигатель Фарадея

В электромеханике получилось так, что развитие электрических машин началось не с первого изобретения — двигателя Фарадея, а с появившейся позже машины Пачинотти—Грамма. Двигатель Фарадея послужил началом истории униполярных машин, но как бы ни развивалась история электромеханики, первую электриче­скую машину с рабочим магнитным полем предложил Фарадей. На рис.12 представлена схема современной униполярной машины. На стальном роторе 1 в пазах расположены медные стержни 2, которые присоединены к кольцам 3. По кольцам сколь­зят щетки 4, с помощью которых осуществляется контакт и с ро­тора снимается постоянный ток. Магнитное поле создается обмот­кой возбуждения 5. Магнитный поток замыкается по цилиндри­ческому статору 6 и ротору 1, проходя через два воздушных зазора.

В униполярных машинах нет коллектора и нет механического преобразователя частоты. Они занимают особое место в электро­механике, но, как и во всех электрических машинах, энергия концентрируется в воздушном зазоре и к ним применимы уравне­ния электромеханического преобразования энергии.

В системе координат d, q моделирование уравнений происходит при протекании по обмоткам статора и ротора постоянных токов. Уравнения машин постоянного тока и синхронных машин широко применяются при исследованиях и почти всегда дают правильные ответы на возникающие вопросы. Конструктивным воплощением этой математической модели являются обычные синхронные ма­шины, машины постоянного тока и униполярные машины.

Конструкция униполярной машины, позволяющая наглядно рассмотреть процессы преобразования энергии, представлена на рис. 13. В этой машине ротор 1 выполняется из одной поковки с валом. Статор состоит из двух массивных полусфер 2, в которых помещаются катушки возбуждения 3. Магнитный поток Ф через два воздушных зазора замыкается по ротору и статору. Щетки 4 установлены на валу и внешней поверхности ротора. Ток замы­кается по внешней цепи и по диску ротора. Недостатком этой ма­шины являются плохие условия работы щеточного контакта на внешней поверхности ротора.

В униполярных машинах витки с током, роль которых выпол­няет массивный ротор, пересекают силовые линии магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения. Магнитный поток неподви­жен относительно обмотки возбуждения и щеток.

Рис. 13. Униполярная машина с дисковым ротором

Если щетки и обмотка возбуждения будут вращаться относительно ротора, то при частоте вращения ротора () и частоте вращения поля (), равной частоте вращения щеток (), == , эдс будет равна нулю (щетки вращаются в ту же сторону, что и ротор). Можно при неподвижном роторе и вращающихся щетках снять напряжение. При этом момент должен быть приложен к статору. При вращении ротора и статора вместе с обмоткой возбуждения и щетками в противоположные стороны напряжение зависит от относительной частоты вращения. При этом момент должен быть приложен к статору и ротору. Как и обычные электрические ма­шины, униполярные машины с вращающимся статором и ротором двухмерные электрические машины, имеющие при матема­тическом описании процессов преобразования энергии два урав­нения движения.

При неподвижной обмотке возбуждения и неподвижном роторе и вращающихся щетках напряжение на щетках и во внешней цепи равно нулю, так как силовые линии поля неподвижны отно­сительно контуров токов ротора.

Обычно униполярные машины строятся на низкие напряжения. Однако можно повысить напряжение, подводимое к униполярному двигателю, соединяя последовательно щетки и кольца. Как и в обычных двигателях постоянного тока, ток якоря создает реакцию якоря. Для компенсации реакции якоря в униполярных машинах применяют компенсационную обмотку, выполняемую на статоре.

Как уже отмечалось, для непрерывной работы униполярной машины необходимо, чтобы было два участка электрической цепи, соединенных между собой контактами. Для этого обмотка в унипо­лярных машинах должна состоять из стержней, а не образовывать витка, замыкающегося в магнитном поле, так как полярность при обходе якоря не изменяется (рис. 14). Индукция В направ­лена перпендикулярно плоскости витка, скорость движения витка v равномерная.

Нельзя выполнить обмотку с внешней длиной электрической цепи, равной нулю, так как при этом и стержень должен иметь длину, равную нулю (рис. 14, б), но внешней цепи может и не быть, тогда обмотку в виде секций в униполярной машине сделать нельзя (рис.14, а).

За полтора века, прошедших со времени изобретения Фарадеем униполярного двигателя, были созданы сотни оригинальных униполярных машин, но, пожалуй, самой замечательной унипо­лярной машиной является наша планета Земля. Магнитное поле Земли создается постоянными токами, протекающими в расплав­ленном ядре и радиационных поясах (рис. 15). В самом упрощен­ном виде магнитное поле Земли показано на рис. 15. Между тончайшей корой 1 на поверхности Земли и ядром 2 находится магма 3. Если представить, что есть относительные перемещения ядра относительно магмы и коры относительно магмы, то за счет ничтожных перемещений коры Земли могут наводиться токи I униполярной индукции (рис.15).

Как и в униполярных машинах, магнитное поле жестко связано с токами, а токи — с ядром Земли. Перемещения коры приведут к появлению токов, замыкающихся в коре и магме. В этой гигант­ской униполярной машине щетками являются тысячекилометровые слои магмы, практически неподвижные на расстояниях сотен километров. Индукция магнитного поля на поверхности Земли околоТ. Имея длину машины в тысячи километров, при относительных перемещениях в несколько сантиметров в минуту эдс может достигать нескольких вольт, а токи — огромных зна­чений.

Рис. 14. К наведению эдс в униполярной машине.

Рис. 15. Униполярная машина — планета Земля.

Униполярные токи, по-видимому, замыкаются в приграничном слое между корой и магмой. Но они могут замыкаться и на по­верхности Земли, так как магма может иметь выходы на поверх­ность Земли в нескольких точках мирового океана, отстоящих на тысячи километров друг от друга. Униполярная машина — Земля — может работать в режиме генератора и двигателя. Изучение униполярной индукции в глобальных масштабах имеет важное значение и может оказаться полезным для практических применений.

Униполярная индукция в слабых магнитных полях может проявлять себя при больших скоростях и изменении площади, охватываемой контуром, в котором замыкаются токи. Примером может служить вхождение кометы или метеоритов в магнитное поле Земли. Если хвост кометы электропроводящий, то при быст­ром изменении ds/dt могут возникнуть значительные изменения потока Ф и эдс.

Униполярные двигатели и генераторы всегда привлекали внимание электромехаников своей сложностью и красотой, и их возможности далеко еще не исчерпаны.

|	следующая лекция ==>
Униполярные генераторы	|	Исполнительные двигатели нормальной конструкции

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет