Униполярный генератор: устройство, история создания, применение

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. Диск Фарадея, первый…

Принцип действия[править | править код]

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

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

В режиме холостого хода (без нагрузки), генератор создаёт на выходных контактах напряжение U x x {displaystyle U_{xx}} . 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 {displaystyle mathbf {E_{xx}} =-mathbf {Omega } cdot mathbf {r} cdot mathbf {B} } (в СИ)

где Ω ⋅ r {displaystyle mathbf {Omega } cdot mathbf {r} } 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 {displaystyle U_{xx}={frac {mathbf {Omega } mathbf {R} ^{2}mathbf {B} }{2}}} в вольтах, где R это радиус диска.

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.

Диск Фарадея

(Так-же известный как: генератор, двигатель, униполярный генератор)

Для понимания процессов возникновения движения проводника с током в магнитном поле или наоборот получения

ЭДС

(Электро-Движущей Силы) в проводниках, а так-же взаимодействия этих полей с постоянными магнитами, нужно знать как работают такие устройства.

Из таких взаимодействий самым простым и в то-же время не до конца понятным является Диск Фарадея.

Об особенностях наведения ЭДС в цилиндрических проводниках (обычных проводах) думаю многим известно, но и этому вопросу позже будет уделено внимание.

Самым близким по особенности природы взаимодействий электрического и магнитныго плй в определенных условиях является эффект Холла, ему так-же будет уделено внимание позже.

Сейчас о самой простой конструкции — Диске Фарадея.

Итак, Диск Фарадея.

Майкл Фарадей

опубликовал работу по

законам электромагнитной индукции

в

1831 г

.

Позднее она была названа законом Фарадея, который заключался в том, что между концами проводника образуется разность потенциалов, если он движется

перпендикулярно магнитному полю

.

Он также построил первый

электромагнитный генератор

, названный в последствии «

диском Фарадея

», который являлся

униполярным генератором

, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита.

Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и

сильный ток

.

Если вместо диска использовать ёмкость с электропроводящей жидкостью, например Ртуть, то она так-же начинает вращение при подаче электрического тока.

Конструкция была несовершенна, потому что ток само замыкался через участки диска, вне магнитного поля.

Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактов и вызывал бесполезный нагрев медного диска.

Другой недостаток исходной конструкции состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался

только один виток вокруг магнитного потока

.

Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение.

Многовитковые обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.

Сейчас часто используется такой вариант исполнения Диска Фарадея:

Диск вращается если на контактные проводники подана ЭДС.

Имеется четыре возможных условия, при которых вращение происходит или нет, доказанных экспериментально:

Магнит неподвижен,  и не закреплен на диске — вращение диска есть.Магнит подвижен и закреплен на диске (или представляет с ним одно целое, имея электропроводящую поверхность) — вращение системы есть.Диск не подвижен, магнит может вращаться вокруг оси — вращения магнита нет.Система подвижна в любых сочетаниях, контакты подвижны но жестко закреплены на диске — вращения нет.

Из этих опытов можно сделать вывод —

магнитное поле постоянного магнита не привязано к нему

и очевидно не движется, если ось магнита, проходящая через его полюса — неподвижна.

Тут думаю уместна аллегория — барон Мюнхгаузен не может поднять себя из болота за волосы, пока рука принадлежит ему.

Но в случае магнитного поля, все иначе, рука то не его.

Поэтому если магнитному полю придать некую неравномерную деформацию, то объект, его породивший придет в движение, но главным условием этого есть то, что породивший деформацию объект не должен быть механически связан с ним, иначе просто происходит уплотнение полей, что в свою очередь выражается в увеличении площади их взаимодействия.

Движение объекта вне гравитации вполне возможно при определенных условиях, как в случае с эффектом Серла.

Рука не должна принадлежать барону Мюнгаузену, но быть ему очень близкой 🙂

Эту особенность очень важно понимать.

В этом кроется, на мой взгляд, причина провала последних экспериментов с установкой Рощина-Година

.

В системе просто нарастало давление полей статора и ротора и перегружало подшипники,  Мюнхгаузен просто очень сильно тянул себя за волосы…

Таким образом магнит очевидно просто создает искривление некоего пространства вокруг себя, того пространства, что взаимодействует с его магнитными доменами и доменами любых других магнитных материалов.

Очевидно напрашивается термин —

магнитного пространства

.

В условиях, где снято внешнее воздействие оно вероятно равномерно, но некоторые планеты, звезды и галактики вносят его искривление.

Поскольку искривление магнитного поля взаимодействует с подвижными «магнитонейтральными» объектами пропорционально их проводимости

(движение магнитного поля возле проводника замедляется)

, то вероятно механизмы гравитации имеют с ними тесную связь.

Второй вывод напрашивается из

4

варианта взаимодействия, когда проводники жестко закреплены на диске но не мешают ему вращаться

(просто гибкие)

, но движение системы не происходит.

Вероятно в Диске Фарадея вращение создается путем переноса электронов через искровой промежуток между диском и контактным проводником.

Поскольку вращение возможно и в жидкой среде (как и газообразной), такой как ртуть например, то очевидно имеет значение не размер самого этого промежутка, а подвижность кристаллической решетки, то есть смещение отдельных атомов относительно друг друга потоком электронов.

Это мой вывод, и доверять ли ему — дело ваше.

Я полагаю, что причиной вращения является «струя» электронов, которая в движении, как и в обычном проводнике, образует вокруг себя закручивание, то есть искривление магнитного поля в строго определенном направлении.

В процессе переноса электронов через искровой промежуток, либо меду отдельными атомами как в жидкости,  меняется их ориентация относительно поля материалов двух по разному ориентированных  в магнитном пространстве проводников, искривленном магнитным полем постоянного магнита, что приводит к изменению направления его движения порожденным до его выхода из проводника его собственным магнитным полем, по законам сходным с самоиндукцией.

Вышесказанное очевидно трудно понимается, а вероятно и читается, но это моё виденье процесса.

Данная природа вращения как раз до сих пор и вызывает много вопросов и толкований относительно причин работы Диска Фарадея.

Для упрощения понимания, можно провести аналогию с водой.

Представьте плавающую на воде льдину, пусть круглой или близкой к тому форме.

Если на ее край подать из шланга, которым тут выступает контактный лепесток, воду под давлением, она придет во вращение относительно собственной оси.

Но если шланг направить перпендикулярно её кромке, то она вращаться не будет, а будет просто путаться уплыть от потока.

Таким образом самого потока воды для направленного вращения не всегда достаточно, должно быть еще нечто, что-бы вращение было всегда, когда есть этот поток и в строго определенном направлении.

По аналогии с водой и льдиной, это как если мы направим струю воды не на саму льдину, а в воду, на которой она плавает, но возле её кромки.

Такой поток обязательно создаст водоворот, что не обязательно для воды, которая может попросту рассеиваться в разные стороны, но обязательно для электронов, где при их движении происходит закручивание самого магнитного пространства вдоль оси их движения.

Это как вода при движении вращала-бы шланг, по которому она поступает, например из-за находящейся внутри него крыльчатке, а затем этот шланг касался бы поверхности воды, на которой плавает наша льдина.

Это обязательно привело-бы к созданию водоворота в воде и обязательному вращению льдины, причем строго в определенном направлении, зависящем от направления движения воды в шланге (мы ведь можем не только подавать но и откачивать, при этом только изменится направление вращения самого шланга и созданного им водоворота, что эквивалентно направлению движения потока электронов при смене полярности).

Лишь в этом случае мы получим гарантированное вращение нашей льдины в одном направлении пока есть ток воды.

На мой взгляд природа таких вихрей, вызванных переходом электронов между двумя, разно ориентированными в искривленном магнитном пространстве, проводниками  и лежит в основе вращения диска Фарадея и служит причиной эффекта Серла.

Но как раз второе нужно еще детально изучить.

Продолжение следует.

04.12.2012

Недостатки первого генератора

Диск Фарадея был в первую очередь неэффективен из-за встречных потоков тока. Принцип работы униполярного генератора будет описан как раз на его примере. В то время как поток тока индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении. Противоток ограничивает выходную мощность для приемных проводов и вызывает ненужный нагрев медного диска. Более поздние гомополярные генераторы могли бы решить эту проблему с помощью набора магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания постоянного поля по окружности и устранения областей, в которых может возникнуть противоток.

Дальнейшие разработки

Вскоре после того, как оригинальный диск Фарадея был дискредитирован как практический генератор, была разработана модифицированная версия, сочетающая магнит и диск в одной вращающейся части (роторе), но сама идея ударного униполярного генератора была зарезервирована для этой конфигурации. Один из самых ранних патентов на униполярные механизмы общего типа был получен A. F. Delafield, патент США 278 516.

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.

магнит	диск	внешняя цепь	есть ли напряжение?
неподвижен	неподвижен	неподвижен	отсутствует
неподвижен	вращается	неподвижен	Есть
неподвижен	неподвижен	вращается	Есть
неподвижен	вращается	вращается	отсутствует
вращается	неподвижен	неподвижен	отсутствует
вращается	вращается	неподвижен	Есть (!)
вращается	неподвижен	вращается	Есть
вращается	вращается	вращается	отсутствует

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.

Ссылки[править | править код]

• 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.
• Л. А. Суханов. Электрические униполярные машины, 1964 г.

Разработка корпорации Parker Kinetic Designs

Подобные устройства еще большего размера спроектированы и изготовлены компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производили устройства для самых разных целей: от питания железнодорожных пистолетов до линейных двигателей (для космических запусков) и различных конструкций оружия. Промышленные образцы на 10 МДж были введены для различных ролей, включая электросварку.

Эти устройства состояли из проводящего маховика, один из которых вращался в магнитном поле с одним электрическим контактом около оси, а другой — около периферии. Они использовались для генерации очень высоких токов при низких напряжениях в таких областях, как сварка, электролиз и исследование рельсовых пушек. В приложениях с импульсной энергией угловой момент ротора применяется для накопления энергии в течение длительного периода, а затем для ее высвобождения за короткое время.

В отличие от других типов униполярных генераторов с коммутатором, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов является результатом действия силы Лоренца на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, а поле осевое, поэтому электродвижущая сила радиальная.

Электрические контакты обычно выполняются через «щетку» или контактное кольцо, что приводит к большим потерям при генерируемых низких напряжениях. Некоторые из этих потерь могут быть уменьшены путем использования ртути или другого легко сжиженного металла, или сплава (галлий, NaK) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.

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.

См. также[править | править код]

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

«Барабанный тип»

Гомополярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (В), которое излучается радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по всей его длине. Проводящий барабан, вращающийся сверху в области магнита типа «громкоговоритель», у которого один полюс находится в центре, а другой окружает его, может использовать проводящие шарикоподшипники в своих верхней и нижней частях для захвата генерируемого тока.

В природе

Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается через магнитное поле, например, при движении высокопроводящей плазмы в ионосфере космического тела через его магнитное поле.

Униполярные индукторы были связаны с сиянием на Уране, двойными звездами, черными дырами, галактиками, спутником Юпитера Ио, Луной, Солнечным ветром, солнечными пятнами, и венерианским магнитным хвостом.