1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Униполярная динамо-машина Тесла

Униполярная динамо-машина Тесла

«The Electrical Engineer», Нью-Йорк, 2 сентября 1891 г.

Фундаментальным открытиям, великим достижениям разума свойственно неослабно держать в своей власти воображение мыслителя. достопамятный эксперимент Фарадея с диском, вращающимся между двумя полюсами магнита, принесший такие великолепные плоды, давно стал обыденным явлением, и всё же у этого прообраза нынешних динамо-машин и двигателей есть определенные особенности, которые даже сегодня кажутся нам поразительными и заслуживают самого тщательного изучения.

Рассмотрим, например, диск из железа или другого металла, вращающийся между двумя противоположными полюсами магнита, когда поверхности полюсов полностью охватывают обе стороны диска, и предположим, что с помощью контактов ток равномерно снимается со всех точек периметра диска и поступает на него. Рассмотрим сначала двигатель. Во всех обычных двигателях их работа зависит от некоторого смещения или изменения равнодействующей силы магнитного притяжения, действующей на якорь. Этот процесс осуществляется или с помощью механического приспособления на двигателе, или благодаря действиям токов соответствующего свойства. Мы можем объяснить принцип действия такого двигателя с тем же успехом, как мы делаем это в отношении водяного колеса. Но в вышеприведенном примере с диском, находящимся полностью между полярными поверхностями, нет смещения магнитного воздействия, никаких изменений не происходит, но, насколько нам известно, вращение всё-таки имеет место. В этом случае привычные суждения неприменимы; мы не можем дать даже поверхностного объяснения явлению, как это было бы возможным для обычных моторов, и принцип действия станет нам понятным только тогда, когда мы осознаем истинную природу задействованных сил и поймем тайну невидимого связующего механизма.

Рассматриваемый в качестве динамо-машины диск в равной степени интересен и как объект изучения. В дополнение к своему особенному свойству вырабатывать токи одного направления без применения переключающих устройств такой генератор отличается от обычных динамо-машин еще тем, что в нем не происходит реактивного взаимодействия между якорем и полем. Ток в якоре имеет свойство создавать магнитное поле, направленное под прямым углом к полю возбуждения, но поскольку ток снимается равномерно со всех точек периметра и, если быть точным, внешний контур тоже можно смонтировать идеально симметрично к электромагниту, никакая реакция не может произойти. Это, однако, верно только до тех пор, пока магниты слабо подпитываются, ибо когда магниты более или менее насыщены, намагниченные под прямым углом поля, по-видимому, интерферируют.

Из одного только этого примера явствует, что мощность такого генератора должна быть намного больше, чем у другой подобной машины при одном и том же весе, в которой ток якоря имеет свойство размагничивать поле. Исключительно высокая мощность униполярной динамо-машины форбза и опыт автора подтверждают эту точку зрения.

С другой стороны, легкость, с которой такие машины, способные самовозбуждаться, могут быть построены, поразительна, но это может быть обусловлено — помимо отсутствия противодействия со стороны якоря — идеальной однородностью тока и отсутствием самоиндукции.

Если полюсы не охватывают диск полностью с обеих сторон, тогда, конечно, генератор станет работать очень неэффективно, если только диск не будет должным образом разделен. Кроме того, есть еще моменты, заслуживающие внимания. При условии, что диск вращается, а ток возбуждения прерывается, сквозь якорь он пойдет непрерывно, а возбуждающие магниты будут терять свою напряженность сравнительно медленно. Причина этого сразу станет понятной, когда мы рассмотрим направление токов в диске.

На схеме ил. 1 dобозначает диск со скользящими контактами ВВ’ уоси и на окружности. N и Sобозначают два полюса магнита. Предполагается, что полюс N находится впереди, как показано на схеме, а диск — в плоскости рисунка и вращается в направлении, указанном стрелкой D; ток в диске протекает от центра к краю, как указывает стрелка А. поскольку действие магнитного поля более или менее ограничено пространством между полюсами NS, другие части диска могут рассматриваться как неактивные. следовательно, создаваемый ток не полностью пройдет по внешнему контуру F, но будет замыкаться на самом диске, и, как правило, если расположение в какой-то степени подобно представленному на рисунке, значительная часть генерированного тока не выйдет наружу, так как контур F практически замкнут накоротко нерабочей частью диска. Можно предположить, что направление результирующих токов в последнем будет таким, как указано пунктирной линией и стрелками т и я, а направление питающего тока возбуждения обозначено стрелками abed.Рисунок показывает, что вихревой ток одного из двух направлений, а именно АВ’mВ,стремится размагнитить поле, в то время как другой ток, а именно АВ’mВ,производит противоположное действие. Следовательно, ток направления АВ’mВ,который создает приближающееся поле, будет расталкивать силовые линии, тогда как ток направления АВ’nВ,а именно создающий удаляющееся поле, будет притягивать силовые линии к себе.

Вследствие этого всегда будет проявляться тенденция к ослаблению тока в токопроводящем пути АВ’mВ,тогда как в пути тока АВ’nВтакого противодействия не будет, и эффект последнего из названных направлений, или токопроводящих путей, будет иметь перевес в большей или меньшей степени над первым. Общий эффект от токов в обоих предполагаемых направлениях может быть эквивалентен по результативности одиночному току того же направления, что и ток, создающий поле. Другими словами, вихревые токи, циркулирующие в диске, будут питать возбуждающий магнит. Этот результат совершенно противоположен тому, к которому мы могли бы прийти, поскольку, естественно, ожидали, что результирующее воздействие тока в обмотке якоря станет проявляться в противодействии току возбуждения, как это обычно происходит, когда проводники токов первичной и вторичной обмоток находятся в индуктивной связи. Но следует помнить, что в данном случае это происходит благодаря особому расположению двух путей, предоставленных току, и он выбирает тот, где при своем прохождении встречает наименьшее противодействие. Отсюда мы видим, что вихревые токи, проходящие в диске, частично подпитывают поле, и поэтому, когда ток возбуждения прерывается, токи в диске продолжают течь, и ослабление напряженности возбуждающего магнита будет происходить сравнительно медленно, и он сможет даже сохранять определенную степень напряженности, пока происходит вращение диска.

Конечно, результат в значительной степени будет зависеть от сопротивления и геометрических размеров пути результирующего вихревого тока и скорости вращения; эти факторы, в частности, обусловливают замедление этого тока и его положение относительно поля. Определенной скорости будет соответствовать максимальное возбуждающее действие; тогда при возрастании скорости оно будет постепенно падать до нуля и в конце концов реверсировать, то есть результирующий эффект вихревого тока должен будет ослаблять поле. Это взаимодействие лучше всего продемонстрировать экспериментально, разместив обмотки возбуждения NS и N’S‘ так, чтобы они свободно двигались на оси и располагались концентрически по отношению к оси диска. Если бы последний вращался, как и раньше, в направлении стрелки D, поле увлекалось бы в одном направлении с крутящим моментом, который до определенной точки будет нарастать вместе со скоростью вращения, затем спадать и, пройдя через нулевую отметку, в конце концов станет отрицательным; то есть поле начнет вращаться в обратном направлении относительно диска. Этот интересный результат наблюдался в опытах с электродвигателями переменного тока, в которых поле смещалось токами другой фазы. При очень низких скоростях вращения поля двигатель покажет крутящий момент в 900 фунто-футов или выше, который проявится на шпинделе диаметром 12 дюймов. Когда скорость вращения полюсов возрастала, крутящий момент уменьшался, доходил, в конце концов, до нуля, становился отрицательным, и тогда якорь начинал вращаться в противоположном относительно поля направлении.

Читать еще:  Самостоятельный монтаж пластикого плинтуса

Вернемся к основному вопросу. Допустим, что условия будут таковы, что вихревые токи, вызванные вращением диска, усиливают поле, и предположим, что поле постепенно перемещается, пока диск вращается с нарастающей скоростью. Ток, однажды возникнув, может затем быть достаточным, чтобы сохраниться и даже увеличить силу, и тогда мы получим то, что известно как «аккумулятор тока» сэра Уильяма Томсона. Но вышеизложенные соображения приводят к очевидному выводу: для успешного проведения эксперимента необходимо использовать неразделенный диск, ибо при наличии радиального деления вихревые токи не могут сформироваться и процесс самовозбуждения прервется. Если бы был использован такой радиально разделенный диск, возникла бы необходимость соединить деления с помощью токопроводящей скобы или любым другим подходящим способом, чтобы образовать симметричную систему замкнутых контуров.

Действие вихревых токов можно использовать для возбуждения машин любой конструкции. Например, на ил. 2 и 3 показана компоновка, при которой может возбуждаться машина с дисковым якорем. Здесь магниты NS, NSразмещаются радиально на каждой стороне металлического диска D, имеющего по краю определенное количество изолированных катушек СС. магниты образуют два обособленных поля, внутреннее и внешнее, при этом твердый диск вращается в ближайшем к оси, а катушки находятся в более удаленном от оси. допустим, что магниты изначально слабо намагничены; под воздействием вихревых токов в твердом диске их возбуждение может возрасти настолько, что создает более сильное поле для периферийных катушек. Однако, несмотря на то что при соблюдении надлежащих условий машина, несомненно, может возбудиться тем или иным способом, имеется достаточно много полученных экспериментальным путем доказательств расточительности такого способа возбуждения.

Но такой тип униполярной машины или двигателя, какой показан на ил. 1, может эффективно возбуждаться просто при правильном разделении диска или цилиндра, в которых образуются токи, что дает реальную возможность избавиться от обычно применяемых катушек возбуждения. Такая схема представлена на рисунке 4. Предполагается, что диск или цилиндр d установлен таким образом, чтобы он мог вращаться между полюсами N и S магнита, который полностью закрывает его с обеих сторон, контуры диска и полюсы представлены в виде окружностей dud 1 соответственно, передний полюс не показан, чтобы было лучше видно. В середине магниты должны быть полыми, чтобы сквозь них могла пройти ось С диска. Если необозначенный полюс находится сзади, а диск вращается но часовой стрелке, ток будет проходить, как и прежде, от центра к краю окружности, и с помощью скользящих контактов ВВ 1 он может поступать на ось и на окружность соответственно. В этом устройстве ток, проходящий сквозь диск и внешний контур, не будет оказывать заметного влияния на возбуждающий магнит.

А теперь предположим, что на диск нанесены разделительные линии в виде спирали, как показано на ил. 4 сплошными и пунктирными линиями. Разность потенциалов между точкой на оси и точкой на окружности останется неизменной как по знаку, так и по величине. Единственное отличие будет состоять в том, что сопротивление диска возрастает и перепад напряжения от точки на оси к точке на окружности будет большим, когда тот же ток будет проходить по внешнему контуру. Но поскольку ток вынужден придерживаться разделительных линий, мы увидим, что он будет способен то усиливать энергию поля, то ослаблять ее, и это будет зависеть, при прочих равных условиях, от направления разделяющих линий. Если разделение таково, как показывают сплошные линии на рисунке 4, то становится очевидным: если ток имеет направление, что и прежде, т.е. от центра к краю окружности, то его воздействие будет усиливать электромагнит, тогда как если разделение соответствует пунктирным линиям, генерированный ток будет ослаблять магнитное поле. В первом случае генератор сможет самовозбуждаться, когда диск вращается в направлении стрелки d, во втором случае направление вращения должно быть противоположным. Однако возможно соединение двух таких дисков. Два диска будут вращаться в противоположных полях в том же или в противоположном направлении.

Подобное можно, конечно, использовать в генераторах, в которых вместо диска вращается цилиндр. В таких униполярных генераторах можно обойтись без катушек возбуждения и без полюсов, как показано выше, и можно создать генератор, состоящий только из цилиндра или двух дисков, помещенных внутри металлического корпуса.

Вместо спиралевидных разграничительных борозд на диске или цилиндре, как показано на ил. 4, удобнее вставить один или несколько витков между диском и контактным кольцом на окружности, как показано на ил. 5.

Динамо-машина Форбза, к примеру, может работать по такому принципу. В результате опытов автор пришел к заключению, что вместо обычных скользящих контактов для снятия тока с двух таких дисков выгоднее использовать гибкую проводящую ленту. В этом случае на дисках имеются широкие бортики с очень большой контактной поверхностью. Проводящая лента должна быть смонтирована таким образом, чтобы она могла опираться на бортики под упругим давлением для создания контакта. Два года тому назад автором было построено несколько машин с ленточными контактами, которые удовлетворительно работали. Но из-за недостатка времени работа в этом направлении была временно приостановлена. ряд интересных находок, описанных выше, автор использовал в связи с некоторыми типами двигателей, работающих от переменного тока.

НИКОЛА ТЕСЛА
ЛЕКЦИИ
СТАТЬИ

Посвящение к Белградскому изданию 1956 г.:

Югославский Национальный Комитет по Празднованию Столетия со Дня Рождения Николы Теслы и Музей Николы Теслы в Белграде считают публикацию научных трудов Николы Теслы почетной обязанностью по отношению к великому ученому и изобретателю, науке и человечеству. И выполнить ее оказалось намного легче благодаря тому счастливому обстоятельству, что в соответствии с волей Теслы все его труды были собраны в Музее Николы Теслы в Белграде. К сожалению, в нашем распоряжении не было одной части документов Николы Теслы, той, которая касается первого периода его творческой активности, которая была утеряна, когда его лаборатория погибла в огне. Большая часть документов, которые есть в нашем распоряжении, еще не изучена. Отобранные для настоящей публикации документы печатаются не только как яркое доказательство важной научной работы Теслы, которая составляет фундамент современной электротехники, но они также служат отчетливым указателем для нынешнего и будущих поколений изобретателей во всех областях науки и техники, где Никола Тесла достиг столь великих результатов.

Югославскою Национального Комитета по Празднованию Столетия

со Дня Рождения Николы Теслы

ПРЕДИСЛОВИЕ к Белградскому изданию

* В настоящее издание не вошла составляющая около половины объема оригинальной книги часть «Патенты», представляющая, безусловно, большой интерес, ввиду чрезвычайной трудоемкости приведения переводов патентов того времени к понятному виду для современного читателя. Возможно, она будет издана позднее, пока же мы можем лишь отослать заинтересованного читателя к оригиналу, (прим. изд.)

Никола Тесла родился в Смилянах, Провинция Лика, в Югославии 10 Июля 1856 г. С 1862 по 1874 он посещал начальную и средняя школу в Смиляне и Госпице, и высшую школу в Карловах. С 1875 по 1878 он обучался в Передовой Технической Школе в Граце и закончил свое обучение в Университете в Праге в 1880.

С 1876 года, будучи студентом в Граце, Тесла заинтересовался созданием мотора без коллектора. В Феврале 1882, в Будапеште, он открыл принцип вращающегося магнитного поля. В 1883, в Страсбурге, он сделал первые модели индукционных моторов. На следующий год Тесла уехал в Соединенные Штаты Америки, где в течение короткого времени работал в Лаборатории Эдисона. Позднее, в 1885, он основал в Нью-Йорке предприятие «Tesla Arc Light Company». После основания компании «Tesla Electric Company» в 1887 Тесла смог получить необходимые финансовые и материальные ресурсы, которые требовались для реализации его изобретения полифазной системы передачи энергии и для индукционных моторов высокой эффективности.

Читать еще:  Автономный мини-обогреватель (чертежи и схемы)

После получения первоначальных патентов на асинхронный мотор и полифазную систему для передачи электрической энергии 12 Октября 1887, Тесла получил за период с 1887 по 1891 следующий ряд из 40 патентов в той же области. Полифазная система передачи энергии была применена в 1891 в гидроэлектростанции на Ниагарском Водопаде, первые три агрегата которой начали работать в 1896 с совокупной мощностью в 15,000 лошадиных сил.

Во второй половине 1890 Тесла начал работу в области токов высокой частоты, построив машины генераторы с частотой до приблизительно 30 кГц. В 1891 он изобрел трансформатор для получения токов высокой частоты и высокого напряжения, который позднее стал известен как «трансформатор Теслы». Тесла изложил результаты, достигнутые в области токов высокой частоты, в своих известных лекциях, которые он прочел за период между 1891 и 1893 годами. Работа в этой области была временно прервана из-за пожара в лаборатории Теслы 13 Марта 1895.

После постройки новой лаборатории в 1896 Тесла вновь возобновил свою работу, и с 1896 по 1914 он опубликовал ряд новых изобретений, которые положили начало современной радиотехнике. Особенно важно было открытие четырех резонансных цепей, лежащих в основе радиопередачи. Создание в течение 1899 большой радиостанции на 200 кВт в Колорадо позволило Тесле применить принципы и идеи, выдвинутые в его лекциях в 1892 и 1893.

Весной 1898 Тесла построил радио-управляемую модель корабля, и 1 Июля 1898 получил патент, относящийся к управлению на расстоянии посредством радио движущихся судов и транспортных средств. Этим изобретением он заложил основу беспроводной телемеханики. Он представил результаты своей работы в статье, озаглавленной «Проблема Увеличения Человеческой Энергии», опубликованной в Июне 1900.

Тесла с его чрезвычайно важными открытиями и изобретениями занимает одно из выдающихся мест в истории современной науки и техники. За свои научные достижения Никола Тесла получил заслуженное и почетное признание многих известных научных организаций и знаменитых ученых во всем мире. Докторская степень была присвоена ему университетами:

Сорбонны (Париж), Колумбии, Вены, Праги, Белграда, Загреба, Иеля, Небраски, Гренобля, Брно, Бухареста, Граца, Софии, и др.

7 Января 1943 он умер в Нью-Йорке, где провел самый долгий период своей жизни.

Цель этой книги — познакомить читателя с наиболее важными работами Николы Теслы во многих областях науки, которой он посвятил себя. Тесла обнародовал свои изобретения в лекциях, прочитанных во многих научных организациях, получал на свои многочисленные изобретения патенты, и писал статьи в различных газетах и журналах. И следуя ему, книга состоит из трех частей: лекции, патенты и статьи.

Первая часть книги содержит в хронологическом порядке пять из наиболее важных лекций Николы Теслы. Самая важная — классическая лекция: «Новая Система Трансформаторов и Моторов Переменного Тока», прочитана перед AIE E (Американским Обществом Инженеров Электротехников — The American Institute of Electrical Engineers) 16 Мая 1888, в которой Тесла объяснил принципы его знаменитого индукционного мотора. Другая важная лекция, включенная в эту книгу, это «Эксперименты с Переменными Токами Очень Высокой Частоты и Их Применение к Методам Искусственного Освещения», прочитанная перед AIE E 20 Мая

Униполярный генератор: устройство, история создания, применение

Униполярный генератор представляет собой электрический механизм постоянного тока, содержащий электропроводящий диск или цилиндр, вращающийся в плоскости. Имеет различные по мощности потенциалы между центром диска и ободом (или концами цилиндра) с электрической полярностью, которая зависит от направления вращения и ориентации поля.

Он также известен как униполярный генератор Фарадея. Напряжение, как правило, низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские машины могут генерировать сотни вольт, а некоторые системы имеют несколько последовательных генераторов для получения еще большего напряжения. Они необычны тем, что могут генерировать электрический ток, который способен превышать миллион ампер, поскольку униполярный генератор вовсе не обязательно имеет высокое внутреннее сопротивление.

История изобретения

Первый гомополярный механизм был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют диском или колесом Фарадея в его честь. Это было начало современных динамо-машин, то есть электрических генераторов, работающих на магнитном поле. Он был очень неэффективным и не использовался в качестве практического источника энергии, но показал возможность выработки электричества с помощью магнетизма и проложил путь к коммутируемым динамо-источникам постоянного тока, а затем к генераторам переменного тока.

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.

Исследования выдающихся умов

Другие ранние патенты на ударные униполярные генераторы были присуждены С. З. Де Ферранти и С. Батчелору отдельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и проводил работу с гомополярными механизмами, и в итоге запатентовал улучшенную версию устройства в патенте США 406 968.

Патент Tesla «Dynamo Electric Machine» (униполярный генератор Тесла) описывает расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенными, подобно шкивам, металлическим ремнем. Каждый диск имел поле, противоположное другому, так что поток тока проходил от одного вала к краю диска через ремень к другому краю и ко второму валу. Это значительно уменьшило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, позволяя обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом.

Позже патенты были присуждены С. П. Штайнмецу и Э. Томсону за их работу с униполярными генераторами высокого напряжения. Динамо Forbes, разработанное шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом, широко использовалось в начале ХХ века. Большая часть разработок, выполненных в гомополярных механизмах, была запатентована J.E. Noeggerath и R. Eickemeyer.

50-е годы

Гомополярные генераторы пережили ренессанс в 1950-х годах в качестве источника импульсного накопителя энергии. Эти устройства использовали тяжелые диски как форму маховика для хранения механической энергии, которую можно было быстро сбросить в экспериментальный аппарат.

Ранний пример такого рода устройства был создан сэром Марком Олифантом в Научно-исследовательской школе физических наук и инженерии Австралийского национального университета. В нем хранилось до 500 мегаджоулей энергии, и он использовался в качестве источника сверхвысокого тока для экспериментов с синхротроном с 1962 года до его разборки в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна подавать токи до 2 мегаампер (МА).

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.

Читать еще:  Из старья конфету или кровать женскими руками

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.

Модификация

Недавно предложенная модификация заключалась в использовании плазменного контакта, снабженного неоновым стримером с отрицательным сопротивлением, касающегося края диска или барабана, с использованием специализированного углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Это имело бы преимущество очень низкого сопротивления в диапазоне тока, возможно, до тысяч ампер без контакта с жидким металлом.

Если магнитное поле создается постоянным магнитом, генератор работает независимо от того, прикреплен ли магнит к статору или вращается вместе с диском. До открытия электрона и закона силы Лоренца это явление было необъяснимым и было известно, как парадокс Фарадея.

«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.

Особенности механизма

Как и все вышеупомянутые космические объекты, диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую. Эта машина может быть проанализирована с использованием собственного закона электромагнитной индукции Фарадея.

Этот закон в его современной форме утверждает, что постоянная производная магнитного потока через замкнутую цепь индуцирует в ней электродвижущую силу, которая, в свою очередь, возбуждает электрический ток.

Поверхностный интеграл, который определяет магнитный поток, может быть переписан как линейный вокруг схемы. Хотя подынтегральное выражение интеграла от линии не зависит от времени, так как диск Фарадея, который является частью границы линейного интеграла, движется, производная полного времени не равна нулю и возвращает правильное значение для расчета электродвижущей силы. Альтернативно диск может быть уменьшен до проводящего кольца по его окружности с помощью единственной металлической спицы, соединяющей кольцо с осью.

Закон силы Лоренца легче использовать для объяснения поведения машины. Этот закон, сформулированный через тридцать лет после смерти Фарадея, утверждает, что сила на электроне пропорциональна перекрестному произведению его скорости и вектору магнитного потока.

В геометрическом выражении это означает, что сила направлена ​​под прямым углом как к скорости (азимутальной), так и к магнитному потоку (осевой), которая поэтому находится в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске вызывает разделение зарядов между его центром и ободом, и, если цепь замыкается, возникает электрический ток.

Электродвигатель

Однополярный электродвигатель — это устройство постоянного тока с двумя магнитными полюсами, проводники которого всегда пересекают однонаправленные линии магнитного потока, вращая проводник вокруг неподвижной оси так, чтобы он находился под прямым углом к ​​статическому магнитному полю. Результирующая ЭДС (электродвижущая сила), являющаяся непрерывной в одном направлении, гомополярному двигателю не требует коммутатора, но все же требует контактных колец. Название «гомополярный» указывает на то, что электрическая полярность проводника и полюсов магнитного поля не изменяются (то есть, что он не требует коммутации).

Однополярный двигатель был первым электромотором, который был построен. Его действие было продемонстрировано Майклом Фарадеем в 1821 году в Королевском институте в Лондоне.

Изобретение

В 1821 году, вскоре после того, как датский физик и химик Ханс Кристиан Эрстед открыл феномен электромагнетизма, Хамфри Дэви и британский ученый Уильям Хайд Волластон попытались, но не смогли, разработать электрический двигатель. Фарадей, которого Хамфри оспаривал как шутку, продолжил создавать два устройства для создания так называемого «электромагнитного вращения». Один из них, теперь известный как гомополярный двигатель, создал непрерывное круговое движение. Оно было вызвано круговой магнитной силой вокруг провода, положенного в лужу ртути, в которую был помещен магнит. Провод вращался бы вокруг магнита, если бы был снабжен током от химической батареи.

Эти эксперименты и изобретения легли в основу современных электромагнитных технологий. В скором времени Фарадей опубликовал результаты. Это обострило отношения с Дэви из-за его ревности к достижениям Фарадея и стало причиной того, что последний занялся другими делами, что в результате несколько лет препятствовало его участию в электромагнитных исследованиях.

Б. Г. Ламм описал в 1912 году гомополярную машину мощностью 2000 кВт, 260 В, 7700 А и 1200 об/мин с 16 контактными кольцами, работающими при периферийной скорости 67 м/с. Униполярный генератор мощностью 1125 кВт, 7,5 В, 150 000 А, 514 об/мин, построенный в 1934 году, был установлен на американском сталелитейном заводе для сварки труб.

Тот самый закон Лоренца

Эксплуатация этого двигателя схожа с принципом работы ударного униполярного генератора. Однополярный двигатель приводится в действие силой Лоренца. Проводник с током, текущим через него, когда он помещен в магнитное поле и перпендикулярен ему, ощущает силу в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и току. Эта сила обеспечивает оборотный момент вокруг оси вращения.

Поскольку последняя параллельна магнитному полю, а противоположные магнитные поля не меняют полярность, для продолжения вращения проводника коммутация не требуется. Эту простоту легче всего достичь с помощью однооборотных конструкций, что делает гомополярные двигатели непригодными для большинства практических применений.

Как и большинство электромеханических машин (вроде униполярного генератора Неггерата), гомополярный двигатель является обратимым: если проводник поворачивается механически, то он будет работать как гомополярный генератор, создавая напряжение постоянного тока между двумя выводами проводника.

Постоянный ток является следствием гомополярной природы дизайна. Гомополярные генераторы (HPG) были тщательно исследованы в конце 20-го века в качестве источников постоянного тока низкого напряжения, но с очень высоким током, и достигли некоторого успеха в питании экспериментальных рельсовых пушек.

Строение

Сделать униполярный генератор своими руками довольно просто. Однополярный мотор также очень прост в сборке. Постоянный магнит используется для создания внешнего магнитного поля, в котором будет вращаться проводник, и батарея заставляет ток течь вдоль проводящего провода.

Нет необходимости, чтобы магнит двигался или даже контактировал с остальной частью двигателя; его единственная цель — создать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с аналогичным полем, индуцированным током в проводе. Можно прикрепить магнит к батарее и позволить проводнику свободно вращаться при замыкании электрической цепи, касаясь как верхней части батареи, так и магнита, прикрепленного к нижней ее части. Провод и батарея могут нагреваться при непрерывной работе.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector