Unipoláris generátor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. április 19-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 18 szerkesztést igényelnek .

Az egypólusú generátor az egyenáramú elektromos gép egy típusa . Tartalmaz egy vezetőképes korongot, a tárcsa forgástengelyével párhuzamos állandó mágneses teret , a lemez tengelyén az 1. áramgyűjtőt és a tárcsa szélén a 2. áramgyűjtőt.

Hogyan működik

Az állandó mágnes pólusai közé elektromosan vezető tárcsát helyeznek, és megpörgetik. A lemez forgástengelye párhuzamos a mágneses erővonalakkal. Amikor a lemez egyenletes mágneses térben forog, a Lorentz-erő hat a lemez szabad elektronjaira:

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

Mivel nincs külső elektromos mező, akkor:

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

$F=qvBsin\alpha$

Mivel a mágneses tér merőleges a forgó korongra, akkor:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

A korong forgásirányától függően a Lorentz-erő a szabad elektronokat vagy a korong közepe, vagy a külső széle felé irányítja. A korong közepe és külső oldala között elektromos tér alakul ki . Ez a mező merőleges arra a síkra, amelyben a és vektorok fekszenek , és addig fog növekedni, amíg az elektromos erő ki nem kompenzálja a Lorentz-erőt: $\mathbf {E_{\perp }}$ $\mathbf {v}$ $\mathbf {B}$ $q\mathbf {E_{\perp }}$

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

$E_{\perp }=\Omega rB$

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

Ha egy elektromos áramkör csatlakozik a tengelyhez és a lemez külső oldalához, akkor elektromos áram folyik benne.

Történelem

Faraday lemez

1831 -ben Michael Faraday , miután felfedezte az elektromágneses indukció törvényét, más kísérletek mellett, vizuális eszközt épített a mechanikai energia elektromos energiává alakítására - a Faraday-korongot. Rendkívül nem hatékony eszköz volt, de a tudomány további fejlődése szempontjából jelentős értéket képviselt.

Az elektromágneses indukció Faraday által megfogalmazott törvénye a mágneses erővonalakat keresztező áramkörnek tekinthető. A Faraday-korong esetében azonban a mágneses tér a forgástengely mentén irányult, és a kontúr nem mozdult el a mezőhöz képest. A legnagyobb meglepetést az okozta, hogy a mágnes forgása a koronggal együtt egy EMF megjelenéséhez is vezetett egy álló külső áramkörben. Így jelent meg Faraday paradoxona , amely csak néhány évvel halála után oldódott meg egy elektron – egy elektromos töltéshordozó – felfedezésével , amelynek mozgása elektromos áramot okoz a fémekben .

Az unipoláris indukció jól látható paradoxonát az alábbi táblázat fejezi ki, amely leírja az installáció egyes részeinek forgásának és mozdulatlanságának különféle kombinációit, és egy felkiáltójel jelzi az eredményt, ami intuitív módon nem magyarázható - az áram megjelenése egy álló külsőben. áramkört, miközben egyszerre forgatja a lemezt és a hozzá rögzített mágnest.

mágnes	korong	külső áramkör	van feszültség?
mozdulatlan	mozdulatlan	mozdulatlan	hiányzó
mozdulatlan	forog	mozdulatlan	Van
mozdulatlan	mozdulatlan	forog	Van
mozdulatlan	forog	forog	hiányzó
forog	mozdulatlan	mozdulatlan	hiányzó
forog	forog	mozdulatlan	Van (!)
forog	mozdulatlan	forog	Van
forog	forog	forog	hiányzó

Az unipoláris indukció egy relativisztikus hatás , amelyben egyértelműen megnyilvánul az elektromágneses tér elektromos és mágneses felosztásának relatív jellege.

Faraday paradoxonainak megoldása

Amikor csak a korong forog, van feszültség, mert az elektromosan vezető tárcsa egyenletes mágneses tér jelenlétében mozog, így a Lorentz-erő potenciálkülönbséget hoz létre a lemez széle és közepe között. A Lorentz-erő kialakulásához nem számít, hogy maga a mágnes forog-e vagy sem. A mágnes tengelyét úgy választjuk meg, hogy a mágnes forgása ne változtassa meg a mezőjét, és ha nem láttuk volna a mágnest, soha nem tudtuk volna, hogy forog-e vagy sem.
Amikor csak az áramkör forog, van feszültség, mert az áramkör mágneses térben forog, a Lorentz-erő potenciálkülönbséget hoz létre magában az áramkörben, és az állókorong plusz és mínusz zár. Az előző esettől eltérően a lemez és a lánc felcserélődik.
Amikor a tárcsa és a lánc is forog, nincs feszültség, mert most a lánc és a tárcsa egyetlen egészet képvisel a Lorentz-erő számára. Ennek az egyetlen formációnak kívül plusz, középen mínusza lesz. A plusz és mínusz közötti különbség méréséhez egy másik rögzített és elektromosan semleges voltmérőt kell csatlakoztatni.
Amikor csak a mágnes forog, nincs feszültség, mert a lemez nyugalomban van. A Lorentz-erő megköveteli, hogy a korong forogjon mágneses tér jelenlétében. És hogy a mágnes forog-e vagy sem, nem számít, a forgása nem befolyásolja a mágneses teret.
Amikor a mágnes együtt forog a koronggal, feszültség keletkezik, mivel a lemez egyenletes mágneses tér jelenlétében forog. Ezért a Lorentz-erő potenciálkülönbséget hoz létre a korong éle és közepe között, ami álló voltmérővel mérhető. Ha voltmérő helyett terhelést csatlakoztat, áram fog folyni. Mindezekben a példákban a mágnes forgása nem játszik szerepet. mert a mágnes forgása nem változtatja meg a mezőt.
Amikor az áramkör és a mágnes forog, feszültség keletkezik, mivel az elektromosan vezető áramkör mágneses tér jelenlétében forog. A Lorentz-erő potenciálkülönbséget hoz létre benne, a rögzített lemez pedig bezárja. Ha a forgó láncot magasabbra emeljük és mindkét kefét a tengelyhez csatlakoztatjuk, akkor nem lesz feszültség. Lesz egy elektromos áramkör - plusz az egyik oldalon, mínusz a másikon.
Amikor a mágnes, a lemez és az áramkör együtt forog, nem lesz feszültség, mert az áramkör a lemezzel egy egész - egy kicsit nagyobb forgó korong. A feszültség megjelenéséhez le kell állítani a láncot vagy a lemezt. A lemez forgatása ebben és a többi példában nem számít, mivel a mező nem változik a lemez forgatása miatt.

Szabadalmak és néhány praktikus minta

Charles E. Ball (US238631; 1881. március), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor kapta a legkorábbi ismert formatervezési szabadalmakat az unipoláris generátorokra.
Nikola Tesla ( 406 968 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom ) olyan konstrukciót dolgozott ki, amelyben két korong párhuzamos tengelyeken forog különböző mágneses térben, amelyeket fémszalag köt össze.
1989 - ben Ausztráliában működött egy unipoláris generátor, amely 800 V feszültség mellett 1500 kA áramot generált.

Railgun generátor

Az unipoláris generátorok olyan pozitív tulajdonságai, mint az egyszerűség, a megbízhatóság és a költség, főként olyan alkalmazásokban nyilvánulnak meg, ahol nagy áramerősség mellett alacsony (10 voltos nagyságrendű) feszültség elérésére van szükség. [1] Az egyik ilyen alkalmazás a vasúti puskagenerátor volt . Így Mark Oliphant kezdeményezésére az Ausztrál Nemzeti Laboratóriumban egy nagyméretű unipoláris generátort építettek, amely megbízható forrása lett a megamper impulzusoknak a vasúti fegyver számára, majd később az LT4 tokamakban használták a plazma gerjesztésére. [2]

Plazmafizika, MHD generátorok

Asztrofizika

Az unipoláris generátor fogalmának modern alkalmazásának legjelentősebb területe az asztrofizika. Számos csillagrendszerben az űrben természetes mágneses mezőket és vezető lemezeket figyelnek meg a plazmából, amelyek viselkedése megismétli Faraday és Tesla kísérleteit.

Áltudományos habozás

Az ilyen típusú elektromos gépeket többször is használták örökmozgó, szabadenergia-forrás és hasonló álhírek készítésére.

A leghíresebb történet Bruce de Palma (1935. október 2. – 1997. október) úgynevezett "N-gépe" , aki kijelentette, hogy az ő tervezésében a Faraday-korong által termelt energia ötször nagyobb lesz, mint az elhasznált energia. a forgásán. 1997 -ben azonban, Bruce de Palma halála után, autójának megépített példányát hivatalosan is tesztelték, negatív eredménnyel. A megtermelt energia hő formájában disszipált, értéke nem haladta meg a felhasznált értéket.

Az ilyen spekulációk alapja a jól ismert „Faraday-paradoxon” helytelen értelmezése, és az az elképzelés, hogy ennek a „paradoxonnak” a megoldása a tér néhány speciális mezőjében és tulajdonságaiban rejlik (például „torzió”), valamint az az állítás, hogy az unipolárisban nincs hátsó EMF a generátorokban , ami ellenzi a forgást, amikor az áram zárva van a terhelésen keresztül.

Vannak "egypólusú generátorok" és motorok tervei is, amelyek szerzői óriási nyereséget hirdetnek a hagyományos elektromos gépekhez képest.

Az „unipoláris” (homopoláris) kifejezés szó szerinti („unipoláris”) értelmezése, amelyet helytelenül alkalmaznak erre az eszközosztályra, szintén eltúlzott. Valójában ezeket az eszközöket helyesebben „egyenletes mágneses tér, egyenáramú és nem kapcsolt rotorcsatlakozó eszközök”-nek kellene nevezni, mivel más elektromos gépek egyaránt használnak / vagy nem egyenletes mágneses teret és / vagy váltakozó áramot és / vagy kapcsoló alkatrészeket a rotor tekercsének.

Az unipoláris elektromos gépek működésének magyarázatában további nehézségeket okoz a töltéshordozók, az elektronok mozgásának ötlete, különösen a "sebesség". Először is azonnal felmerül a kérdés, hogy milyen sebességgel számolunk ebben az esetben. Másodszor, ha egy figyelmetlen rajongó megismeri a speciális relativitáselméletet, az összetévesztheti a „megfigyelő”, a „sebesség” és hasonló fogalmakkal való zsonglőrködést.

Lásd még

Unipoláris indukció
Az elektromos gépek megfordíthatósági elve miatt egypólusú villanymotor is lehetséges .

Linkek

I. E. Tamm . Az elektromosság elméletének alapjai. 112. szakasz
Fizikai enciklopédia , v.5, 224. o ., 225. o. , "Unipoláris indukció" cikk, szerzők G. V. Permitin, Yu. V. Chugunov.
L. A. Szuhanov . Elektromos egypólusú gépek, 1964
Unipoláris generátor // Computerra , 2007. ápr. /webarchívum/

Jegyzetek

↑ L. A. Szuhanov, R. Kh. Szafiullina, Yu. A. Bobkov. Szerkesztette: L. A. Sukhanov. – Elektromos egypólusú gépek. Moszkva: VNIIEM, 1964, 137, 23. o
↑ The Big Machine archiválva : 2013. május 17. a Wayback Machine -nél . (Angol)