Униполярный генератор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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 униполярный генератор

Принцип действия[править | править вики-текст]

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

\mathbf{F}=q\left(\mathbf{E}+[\mathbf{v}\times\mathbf{B}]\right) (в СИ)

В режиме холостого хода (без нагрузки), генератор создаёт на выходных контактах напряжение U_{xx}. 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 Лоренса:

\mathbf{E_{xx}} = -\mathbf{\Omega} \cdot \mathbf{r} \cdot \mathbf{B} (в СИ)

где \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_{xx} = \frac{\mathbf{\Omega} \mathbf{R}^2 \mathbf{B}}{2} в вольтах, где R это радиус диска.

Однако эта модель не объясняет работы генератора при вращающемся магните.[источник не указан 94 дня] Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся теорией относительности.

История[править | править вики-текст]

Диск Фарадея[править | править вики-текст]

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 не определено
вращается неподвижен неподвижен отсутствует
вращается вращается неподвижен Есть (!)
вращается неподвижен вращается Есть
вращается вращается вращается не определено

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

Патенты и некоторые практические конструкции[править | править вики-текст]

  • 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 | править вики-текст]

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 вики-текст]

Астрофизика[править | править вики-текст]

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 вики-текст]

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.

Ссылки[править | править вики-текст]

  1. Имеется ввиду направленное (упорядоченное) движение. см. Электрический ток
  2. http://www.physicum.narod.ru/vol_5/224.pdf
  3. Второе слагаемое называют магнитной силой Лоренца [1]
  4. Униполярная индукция
  5. Л.А.Суханов, Р.X.Сафиуллина, Ю.А.Бобков. Под редакцией Л.А.Суханова. "Электрические униполярные машины." Москва: ВНИИЭМ, 1964, 137 с, стр.23
  6. The Big Machine(англ.)

См. также[править | править вики-текст]