unipolarnyi_generator На главную
Научная полемика.

    Это совершенно новая страница сайта. Я не нашел другого способа ответить моему читателю В. Руднику на его вопрос так, чтобы результат получать соместно. Вопрос этот многогранный и довольно сложный. Он из области магнетизма, но методами реальной физики не проработан. Вопрос касается работы униполярного генератора и много раз обсуждался на форумах. Однако, единого понимания физики его работы не достигнуто. Не будучи участнтком этих форумов, я не смогу оперировать уже имеющимися результатами. К тому же, я не имею возможности просеять огромный материал с форумов. Надеюсь, что эта страничка станет законодателем нового способа научного общения. Итак....

Униполярный генератор


    Отправляясь в серьёзный поход, проверим содержимое рюкзаков. Нельзя допустить, чтобы в работе подвел какой-нибудь инструмент.
   1.- Правило буравчика для определения направления вихревого магнитного поля (ВМП) вокруг проводника с током.
Помним, что это не физическое правило, а скорее - народная примета. Поэтому здесь ошибка с направлением тока, выбранного исторически от "+" к "-". Реально ток течет в обратном направлении.
   2.-Постоянный магнит и его аналог в виде катушки. С направлением тока та же проблема.
   3.-Правило левой руки для определения движения проводника с током в МП. Для реального тока можно руку заменить на правую. Ну это дело вкуса, главное- помнить.

   Не станем понапрасну ломать копья: там, где народные приметы совпадают с реалиями (точнее- удовлетворяют их), оставим и правило буравчика, и правило рук. Нам и без того придется непросто, - ведь подходы реальной физики еще не проникли в массы.
А вот и именинник, виновник "торжества"
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 (рисунок 1) 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.
    Смотрим в таблицу. Сочетание свойств вращения и неподвижности элементов УГ дает любопытные результаты.
   МАГНИТ        ДИСК   ВНЕШНЯЯ ЦЕПЬ       ЭДС
неподвижен неподвижен неподвижен 0
неподвижен вращается неподвижен     ЕСТЬ     (1)
неподвижен неподвижен вращается    ЕСТЬ     (2)
неподвижен вращается вращается не определено
вращается неподвижен неподвижен 0
вращается вращается неподвижен     ЕСТЬ     (3)
вращается неподвижен вращается    ЕСТЬ     (4)
вращается вращается вращается не определено

    Варианты с положительным эффектом пронумерованы (см. правую графу таблицы).
   Сразу исключаем домыслы из форумов.
ВОПРОС ПЕРВЫЙ. Возможно ли, чтобы в самом движущемся или вращающемся постоянном магните индуцировалась ЭДС от собственного поля?
ОТВЕТ. Нет, конечно. Посмотрите на рисунок слева, если Вы являетесь источником поля, то силовые линии Вас НЕ МОГУТ пересекать. Возможно, кто-то полагает, что пересекать Вас могут силовые линии соседей? -Тоже невозможно. Пересечься-то они могут, но относительного движения не будет.

ВОПРОС ВТОРОЙ. Должна ли в УГ индуцироваться ЭДС на участке АС проводника в случае осесимметричного магнита?
ОТВЕТ. Да. Смотрим на рисунок справа, в котором магнитное поле перпендикулярно рисунку. Чем разичаются участки dl проводника в трех угловых положениях? -Только линейной скоростью. То есть, ЭДС в проводнике просто определяется средней скоростью Blv/2.

    Начинаем рассмотрение вариантов. ВАРИАНТ №1.
     Всё окружающее нас
пространство, включая газ, жидкости, твердые тела и даже космос, насыщено свободными электронами (СЭ). Различие только в их концентрации. О причинах этого явления я здесь говорить не буду, это уже атомная физика. Нам сейчас важно, что концентрация СЭ в металлах составляет около 10 24-3). (Это не атомные электроны и они никогда таковыми не были, это именно СЭ. Учебники называют их электронным газом, - пусть так. Только никакой ионизации атомов кристаллической решетки не бывает, это глупость.) При такой концентрации один электрон приходится на несколько тысяч атомов металла. И все равно это очень высокая концентрация, достаточная для развития огромных токов. Но как образуются токи?
    Точно так же, как в проводнике! Каждый электрон вращающегося диска пересекает линии магнитной индукции Bm со скоростью v, зависящей от радиуса (рисунок 2). Каждый радиус диска - это проводник, который мы перемещаем. То есть, на длине каждого радиуса формируется ЭДС Blv/2. Обод диска однопотенциальный, а это значит, что от точки съема потенциала результат не зависит. Возникающая сила Лоренца F равна произведению Eq. Знак ЭДС зависит от направления вращения. Величина её - от скорости вращения. А огромное число радиусов-проводников, включенных параллельно, создают возможность получения больших токов.
    Но есть и нюанс! В одном из направлений вращения сила F магнитного взаимодействия суммируется с центробежной силой, а в другом - они вычитаются. Будет разница в величине индуцируемой ЭДС. Относительное влияние центробежной силы равно K=2mv/Brq. Чем больше магнитная индукция и радиус диска, тем влияние меньше.
    Продолжаем рассмотрение вариантов. ВАРИАНТ №2.
    Это вариант ничем не отличается от первого. Поскольку радиус диска включен последовательно с участком АС вращающейся рамки, а силовые линии индукции те же, то просто ЭДС формируется не на радиусе диска, а на участке АС той же электрической цепи. Становится понятным смысл фразы "не определено". Если диск и рамку вращать в ту же сторону, ЭДС не будет, а если в разные стороны, - она удвоится.
    Далее - ВАРИАНТ №3.
    Магнит вращается вместе с диском, внешняя цепь неподвижна. Электроны диска не пересекают силовые линии, -диск безучастен. Участок АС цепи пересекает эти линии, -ЭДС индуцируется. Сложностей нет. Однако, созрел вопрос.

    ВОПРОС ТРЕТИЙ. Как может индуцироваться ЭДС во внешней неподвижной цепи?
ОТВЕТ. Я так понимаю, что, если бы участок АС цепи был между магнитами, то сомнений бы не было. А в чем разница-то? Те же силовые линии пересекают такой же участок цепи АС, то же самое взаимодействие BLV... И результат должен быть тем же. Неподвижен проводник цепи, а движется магнит, ну и что?

ВОПРОС ЧЕТВЕРТЫЙ.   Диск и магнит могут вращаться при этом в разные стороны, но полярность на выходе из диска всё равно определяется вращением диска , а не магнита.
ОТВЕТ:  Во-первых, эта ситуация не предусмотрена таблицей. В ней рассматриваются только вариант совместного вращения диска и магнита, либо неподвижность одного из них.
Во-вторых, -это логическая ошибка (рассматриваем ее за рамками варианта №3). Направление вращения в абсолютном понимании можно определить только для одного движущегося объекта. Взаимодействие двух движущихся объектов рассматривается в относительном виде. Если диск вращается с круговой частотой (+w1), а магнит вращается с частотой (+w2), то знак эдс определется разностью линейных скоростей (w1-w2)r. Очевидно, что смена знака ЭДС произойдет не при w2=0 (направление вращения магнита), а при (w2=w1). Поэтому при изменении w2 в этом диапазоне будет впечатление, что знак ЭДС зависит только от направления вращения диска.
НЕ забываем, что эта ЭДС суммируется (алгебраически) с ЭДС во внешнем контуре. Поскольку данный пример не из таблицы, то здесь еще несколько вариантов. Что касается утверждения, что "Вращение магнита на полярность и величину ЭДС не влияет...", то это чья-то диверсия под форум. Это либо ложь, либо подразумевается (w2=w1).

    Последний - ВАРИАНТ №4.
    Вращающийся магнит возбуждает ЭДС в неподвижном диске. -Случай, аналогичный варианту 1 в смысле относительности движения. Внешняя цепь вращается вместе с магнитом, то есть, участок АС цепи безучастен. Всё в порядке.
     Собственно говоря, все основные моменты для УГ мы описали. Осталось добавить, что роль диска с успехом может выполнять и сам магнит (рис.3), если он обладает электропроводностью. Из нашей таблицы остается в этом случае вариант 3. С ним мы уже разобрались и вопросов нет. Однако надо помнить, что это обратимое устройство. То есть, если цепь рамки подключить к внешнему источнику тока, генератор превратится в двигатель (рис.4). И всё бы ничего, только появилась "маленькая странность" -движение магнита не создает реактивного момента. Во всяком случае, именно так характеризуют ситуацию на форумах. Термин новый появился "безопорное движение", претендующий на опровержение третьего закона Ньютона. Ну, значит, всевышний повелевает нам поучаствовать.


Униполярный генератор в обращенном режиме.

   Любой, кому доводилось разбирать электродвигатели, 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 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 генератор Фарадея - у него нет статора. Ему не от чего отталкиваться.Генератор Фарадея примечателен тем , что являет себя как бы в трёх ипостасях. Он сам себе и ротор, и статор и сплошной коллектор из одной пластины. 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".

Урок реальной физики
    Без этого не обойтись, поскольку даже Высшая школа рассматривает все физические процессы в отрыве от среды. Что среда из себя представляет, мы уже отметили. А теперь я обязан подробнее остановиться на понятии "инерция" (иначе мои объяснения будут называть "сумбурными"). Точнее говоря, - на энергии инерции.
    Мы все со школьной скамьи твердо усвоили "истину": движущееся тело обладает кинетической энергией E=mv2/2. Энергия конденсатора W=CU2/2, энергия катушки индуктивности W=LI2/2, энергия вращения W=Iw2/2. Всё пополам! но между ЧЕМ и ЧЕМ? Вспомним движение с трением. Сила сопротивления F=kN.Работа А равна FL. И кинетическая энергия E=mv2/2 тоже равна FL. Не в этом ли путаница? Ведь сила трения приложена одновременно к двум объектам: к телу и поверхности скольжения. При одинаковой скорости v мощность трения Fv относится одновременно к двум объектам. Тогда и энергия Nt распределится поровну. Кажется естественным факт, что кинетическая энергия пули расходуется ПУЛЕЙ на сплющивание при ударе. Но где она была заключена, в каком хранилище? Каковы признаки нарастания энергии движущегося тела? Наука знает только две формы накопления энергии: СЖАТИЕ dW=d(PV) и температура dW=kdT. Но эти факторы отсутствуют в движении тел (по крайней мере - в масштабе действия). Если теперь найти полную энергию движения W=mv2/2 +FL, мы вынуждены признать, что работа FL - это затраты энергии на движение, достигаемое при равном распределении энергии со средой. Если бы это было не так, то динамика среды была бы неучтенной. А ведь это ОГРОМНАЯ энергия (см. фото). Есть еще несколько убийственных аргументов, но, полагаю, и этого достаточно.

Возвращаемся к униполярному генератору в обращенном режиме.
    Все тела живой неживой материи обладают полями энергии (суть -заряды). А поскольку мы уже знаем, что всякое пространство наполнено СЭ, то относительное движение магнита в УМ обязано вызывать движение СЭ среды. В таком случае, мы вправе рассматривать прилегающую к магниту область пространства как проводник (рисунок 5). Выберем условно направление тока в магните мотора от центра к периферии. Находим направление вращения магнита по часовой стрелке. Придаем это направление току виртуального проводящего кольца. Находим направление силы, рождаемой этим кольцом. Мы видим, что сила направлена против тока, то есть, пусковой ток уравновешивается пространством. Электродинамическое торможение. Это и есть ОПОРА, да еще какая. Конечно, действие этой силы непродолжительное. Но ведь именно так мы и ощущаем момент сопротивление опоры. Тем, кто сомневается в способности СЭ оказать подобное силовое действие, советую прочесть статью ЖЕСТКОСТЬ ПРОСТРАНСТВА. Остальным сразу даю аналог из современных взглядов. Вносим магнит в проводящее кольцо. В нем индуцируется ЭДС. Как определяется направление тока в кольце? По правилу Ленца! Именно так, как у нас -принцип ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ. Только без пальцев рук и ног.

    Настало время подкрепить пройденный материал другим примером, знакомым всем с детства. Вы хорошо понимаете центробежную силу? А центростремительное ускорение? Сейчас вы перестанете его понимать. Центробежная сила к чему приложена? -Ясно- к атомам решетки, которые препятствуют деформации диска. Правильно. А ускорение? Говоря "к элементарной массе dm", мы подразумеваем, что к тем же атомам. Получается, что сила ma=F разгружает решетку, и ей не страшны обороты? ПАРАДОКС такой же, как в случае с кинетической энергией и работой FL. Численно сила действительно равна ma, только сила F=ma приложена вообще не к диску и ее направление противоположно. Приложена она к СЭ пространства.
ПАРАМЕТР УСКОРЕНИЕ НЕПРИМЕНИМ К НЕПОДВИЖНОЙ ТОЧКЕ
Точно так же, как с магнитом УГ, свободные электроны пространства увлекаются атомными полями диска и приобретают центробежную компоненту (рис.6). А возникающие магнитные силы и рождают центробежную силу в массе диска. Энергия инерции - вне тела!

Полезно также взглянуть на простейшую реализацию УГ в обращенном режиме - так называемый униполярный шуруп

ВОПРОС ПЯТЫЙ. О режиме мотора:  Для чего тогда пропускать ток через диск, если он индуцируется во внешнем проводнике?
ОТВЕТ:    Ответов два- в зависимости от Ваших целей.
1. Если Вы хотите убедиться, будет ли вращаться магнит, когда ток проходит только по проводу, то ДА, не нужно пропускать ток через магнит. Но это будет не УГ, а другое устройство.
2. Если Вас интересует, что тогда дает ток через магнит, -ответ на страничке. Электродинамическое торможение. Без него ваш проводник будет вырван из устройства. Придется делать статор.

Подводя итоги.

    В процессе диалогов с читателем большую проблему для меня представляло следующее:
1. Постоянно звучали фразы "Индукция Фарадея" или "Индукция Лоренца".
    Вынужден пояснить для участников форумов, что есть только одна ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ. Она представляет собой простое смещение электронов в том или ином объеме пространства. Когда идет речь о неограниченном пространстве, для нахождения силы взаимодействия электрона с МП, мы пользуемся формулой Лоренца F=Bvq. В случае с проводником пространство СЭ ограничено геометрией проводника, по сечению которого распределено фиксированное число n электронов, равное S/z2. (Здесь z-расстояние между СЭ). Их коллективное движение со скоростью v в проводнике представляет ток I=nvq/z. Длина участка проводника в МП равна L=mz. Тогда вся сила для проводника в МП F=Bvq*n*m=IBL. Это та же самая сила, только она умножается на число электронов в объеме проводника mn=V/z3.
2. Неизменный акцент на ПОСТОЯНСТВЕ магнита, что, якобы, не позволяет индуцировать ЭДС в проводнике внешней цепи. В это вопросе я сам виноват, в первичной переписке дал неверный ответ (очень трудно держать в уме все варианты, когда знакомишься с проблемой). Суть в том, что я, как и многие, считаю силовые линии МП условностью. Она введена для того, чтобы отразить вектор напряженности МП и интенсивность поля. Но "что-то" все-таки ПЕРЕСЕКАЕТСЯ проводником, если ЭДС создается так?
   Всем известно правило электродинамики "магнитное поле и ток неразрывны". Даже для постоянного магнита это справедливо, что и отражено в соленоидном представлении магнита (рисунок вверху). Только не все понимают, о каком токе можно вести речь. Это ток орбитального вращения энергомассы электронов. Если электрон ориентирован в пространстве, наблюдается вихревое МП. В движении электрон сам ориентируется по вектору скорости. Чем же достигается их ориентация в постоянном магните? А ничем, МП постоянного магнита создается атомами. То бишь, не свободными электронами, а атомными. Сами атомы ориентируются связями в кристаллической решетке. В зависимости от характера решетки металла атомы могут иметь некоторую свободу угловой ориентации (ферромагнетики). При сильном действии внешнего МП такая ориентация "застывает", образуя очаги с ориентированными атомами (домены). Каждый из очагов - это автономный магнит. А в совокупности - статистически распределенные очаги источников МП.
   В ПЕРВОМ вопросе я нарисовал шпагоглотателя с силовой линией в его утробе. Пусть, это вольность, но она доходчиво объясняет и невозможность индуцирования ЭДС в себе, и ДИСКРЕТНОСТЬ магнитного поля. Поэтому силовые линии физически выражают статистическое действие доменов, формирующих поле магнита.


    В научном плане тема УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР интереса не представляет. Да и в практическом смысле это устройство уже не актуально. В наше время надо говорить о бестопливных источниках энергии.


В начало
На главную


Hosted by uCoz