Generator unipolar

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 19 aprilie 2022; verificările necesită 18 modificări .

Un generator unipolar este un tip de mașină electrică de curent continuu . Conține un disc conductor, un câmp magnetic constant paralel cu axa de rotație a discului, primul colector de curent pe axa discului și al 2-lea colector de curent la marginea discului.

Cum funcționează

Un disc conductiv electric este plasat între polii unui magnet permanent și rotit. Axa de rotație a discului este paralelă cu liniile câmpului magnetic. Când discul se rotește într-un câmp magnetic uniform, forța Lorentz acționează asupra electronilor liberi ai discului:

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

Deoarece nu există câmp electric extern, atunci:

$\mathbf {F} =q[\mathbf {v} \times \mathbf {B} ]$

$F=qvBsin\alpha$

Deoarece câmpul magnetic este perpendicular pe discul rotativ, atunci:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

În funcție de direcția de rotație a discului, forța Lorentz direcționează electronii liberi fie spre centrul discului, fie către marginea exterioară. Un câmp electric se dezvoltă între centrul și partea exterioară a discului . Acest câmp este perpendicular pe planul în care se află vectorii și , și va crește până când forța electrică compensează forța Lorentz: $\mathbf {E_{\perp }}$ $\mathbf {v}$ $\mathbf {B}$ $q\mathbf {E_{\perp }}$

$qE_{\perp}=q\Omega rB$

$E_{\perp }=\Omega rB$

$U=\int _{0}^{R}E_{\perp }dr=\int _{0}^{R}\Omega rBdr={\frac {\Omega R^{2}B}{ 2}}$

Dacă un circuit electric este conectat la arbore și la partea exterioară a discului, atunci un curent electric va curge în el.

Istorie

Disc Faraday

În 1831, Michael Faraday , după ce a descoperit legea inducției electromagnetice, printre alte experimente, a construit un dispozitiv vizual pentru transformarea energiei mecanice în energie electrică - discul Faraday. Era un dispozitiv extrem de ineficient, dar avea o valoare semnificativă pentru dezvoltarea ulterioară a științei.

Legea inducției electromagnetice , formulată de Faraday, a considerat un circuit conductor care traversează liniile câmpului magnetic. Cu toate acestea, în cazul discului Faraday, câmpul magnetic a fost direcționat de-a lungul axei de rotație, iar conturul nu s-a deplasat în raport cu câmpul. Cea mai mare surpriză a fost cauzată de faptul că rotirea magnetului împreună cu discul a dus și la apariția unui EMF într-un circuit extern staționar. Așa a apărut paradoxul lui Faraday , rezolvat la doar câțiva ani după moartea sa odată cu descoperirea unui electron - un purtător de sarcină electrică , a cărui mișcare provoacă un curent electric în metale .

Paradoxalitatea clar vizibilă a inducției unipolare este exprimată de următorul tabel, care descrie diferite combinații de rotație și imobilitate a părților instalației, iar un semn de exclamare marchează rezultatul, care nu este explicabil intuitiv - apariția curentului într-un exterior staționar. circuit în timp ce se rotește simultan discul și magnetul fixat cu acesta.

magnet	disc	circuit extern	exista tensiune?
nemişcat	nemişcat	nemişcat	dispărut
nemişcat	se învârte	nemişcat	Există
nemişcat	nemişcat	se învârte	Există
nemişcat	se învârte	se învârte	dispărut
se învârte	nemişcat	nemişcat	dispărut
se învârte	se învârte	nemişcat	Există (!)
se învârte	nemişcat	se învârte	Există
se învârte	se învârte	se învârte	dispărut

Inducția unipolară este un efect relativist , în care se manifestă în mod clar natura relativă a diviziunii câmpului electromagnetic în electric și magnetic .

Rezolvarea paradoxurilor lui Faraday

Când doar discul se rotește, există tensiune deoarece discul conductor electric se mișcă în prezența unui câmp magnetic uniform, astfel încât forța Lorentz creează o diferență de potențial între marginea discului și centrul acestuia. Pentru apariția forței Lorentz, nu contează dacă magnetul însuși se rotește sau nu. Axa magnetului este aleasă în așa fel încât rotația magnetului să nu-și schimbe câmpul, iar dacă nu am fi văzut magnetul, nu am fi știut niciodată dacă se rotește sau nu.
Când doar circuitul se rotește, există tensiune, deoarece circuitul se rotește într-un câmp magnetic, forța Lorentz creează o diferență de potențial în circuitul însuși, iar discul staționar se închide plus și minus. Spre deosebire de cazul precedent, discul și lanțul sunt inversate.
Când atât discul, cât și lanțul se rotesc, nu există tensiune, deoarece acum lanțul și discul reprezintă un singur întreg pentru forța Lorentz. Această formațiune unică va avea un plus la exterior și un minus în centru. Pentru a măsura diferența dintre acest plus și minus, trebuie să conectați un alt voltmetru fix și neutru electric.
Când doar magnetul se rotește, nu există tensiune deoarece discul este în repaus. Forța Lorentz necesită ca discul să se rotească în prezența unui câmp magnetic. Și dacă magnetul se va roti sau nu, nu contează, rotația lui nu afectează câmpul magnetic.
Când magnetul se rotește cu discul, va exista tensiune deoarece discul se rotește în prezența unui câmp magnetic uniform. Prin urmare, forța Lorentz creează o diferență de potențial între marginea și centrul discului, care poate fi măsurată cu un voltmetru staționar. Dacă conectați o sarcină în loc de un voltmetru, curentul va curge. În toate aceste exemple, rotația magnetului nu joacă niciun rol. deoarece rotația magnetului nu modifică câmpul.
Când circuitul și magnetul se rotesc, va exista tensiune deoarece circuitul conductiv electric se rotește în prezența unui câmp magnetic. Forța Lorentz creează o diferență de potențial în ea, iar discul fix o închide. Dacă lanțul rotativ este ridicat mai sus și ambele perii sunt conectate la arbore, atunci nu va exista tensiune. Va fi un circuit electrificat - plus pe o parte, minus pe cealaltă.
Când magnetul, discul și circuitul se rotesc împreună, nu va exista tensiune, deoarece circuitul cu discul este un întreg - un disc rotativ puțin mai mare. Pentru ca tensiunea să apară, trebuie fie să opriți lanțul, fie discul. Rotația discului nu contează în acest și în celelalte exemple, deoarece câmpul nu se modifică din cauza rotației discului.

Brevete și câteva modele practice

Charles E. Ball (US238631; martie 1881), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor au primit cele mai vechi brevete de proiectare cunoscute pentru generatoarele unipolare.
Nikola Tesla ( brevetul SUA 406.968 ) a dezvoltat un design în care două discuri se roteau pe axe paralele în câmpuri magnetice diferite conectate printr-o centură metalică.
În 1989, un generator unipolar a funcționat în Australia, generând un curent de 1500 kA la o tensiune de 800 V.

Generator railgun

Asemenea proprietăți pozitive ale generatoarelor unipolare precum simplitatea, fiabilitatea și costul se manifestă în principal în aplicațiile în care este necesar să se obțină tensiuni joase (de ordinul a 10 volți) la curent mare. [1] O astfel de aplicație a fost generatorul de railgun . Așadar, la inițiativa lui Mark Oliphant , un generator unipolar mare a fost construit în Laboratorul Național Australian, care a devenit o sursă de încredere de impulsuri de megaamperi pentru gun rail, iar mai târziu a fost folosit în tokamak -ul LT4 pentru a excita plasma. [2]

Fizica plasmei, generatoare MHD

Astrofizică

Cea mai semnificativă sferă de aplicare modernă a conceptului de generator unipolar este astrofizica. Într-un număr de sisteme stelare din spațiu, se observă câmpuri magnetice naturale și discuri conducătoare din plasmă, al căror comportament, așa cum spune, repetă experimentele lui Faraday și Tesla.

Pseudo-științific șarlamăt

Acest tip de mașini electrice a fost folosit în mod repetat pentru a construi o mașină cu mișcare perpetuă, o sursă de energie liberă și farse similare.

Cea mai faimoasă poveste este așa-numita „N-machine” a lui Bruce de Palma (2 octombrie 1935 – octombrie 1997), care a declarat că în proiectul său energia produsă de discul Faraday ar fi de cinci ori mai mare decât energia cheltuită. pe rotirea lui. Cu toate acestea, în 1997, după moartea lui Bruce de Palma, copia construită a mașinii sale a fost testată oficial cu un rezultat negativ. Energia produsă a fost disipată sub formă de căldură, iar valoarea ei nu a depășit cea consumată.

Baza unor astfel de speculații este o înțelegere incorectă a binecunoscutului „paradox al lui Faraday” și ideea că rezolvarea acestui „paradox” se află în unele domenii și proprietăți speciale ale spațiului (de exemplu, „torsionare”), precum și afirmația că în generatoare unipolare nu există EMF înapoi , care se opune rotației atunci când curentul este închis prin sarcină.

Există, de asemenea, modele de „generatoare unipolare” și motoare, ai căror autori reclamă un câștig uriaș în comparație cu mașinile electrice tradiționale.

Înțelegerea literală („unipolară”) a termenului „unipolar” (homopolar) aplicată incorect acestei clase de dispozitive este, de asemenea, exagerată. De fapt, aceste dispozitive ar trebui denumite mai corect „câmp magnetic uniform, curent continuu și dispozitive de conectare a rotorului neîntrerupt”, deoarece alte mașini electrice folosesc atât/sau un câmp magnetic neuniform și/sau curent alternativ și/sau piese de comutare. a înfăşurării rotorului.

Dificultăți suplimentare în explicarea funcționării mașinilor electrice unipolare sunt cauzate de ideea mișcării purtătorilor de sarcină, a electronilor, în special a termenului „viteză”. În primul rând, apare imediat întrebarea cu privire la viteza în raport cu ceea ce luăm în considerare în acest caz. În al doilea rând, familiarizarea unui entuziast neatent cu teoria specială a relativității îl poate conduce la jonglarea confuză cu conceptele de „observator”, „viteză” și altele asemenea.

Vezi și

Inducția unipolară
Datorită principiului reversibilității mașinilor electrice, este posibil și un motor electric unipolar .

Link -uri

I. E. Tamm . Fundamentele teoriei electricității. Secțiunea 112
Enciclopedia fizică , v.5, p. 224 , p. 225 , articol „Inducție unipolară”, autori G. V. Permitin, Yu. V. Chugunov.
L. A. Suhanov . Mașini electrice unipolare, 1964
Generator unipolar // Computerra , Apr 2007 /webarchive/

Note

↑ L.A. Sukhanov, R.Kh. Safiullina, Yu.A. Bobkov. Editat de L.A. Sukhanov. „Mașini electrice unipolare”. Moscova: VNIIEM, 1964, 137 p. 23
↑ The Big Machine Arhivat pe 17 mai 2013 la Wayback Machine . (Engleză)