Unipolär generator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 19 april 2022; kontroller kräver 18 redigeringar .

En unipolär generator är en typ av elektrisk likströmsmaskin . Den innehåller en ledande skiva, ett konstant magnetfält parallellt med skivans rotationsaxel, 1:a strömavtagaren på skivans axel och 2:a strömavtagaren vid skivans kant.

Hur det fungerar

En elektriskt ledande skiva placeras mellan polerna på en permanentmagnet och snurras. Skivans rotationsaxel är parallell med magnetfältslinjerna. När skivan roterar i ett enhetligt magnetfält verkar Lorentzkraften på skivans fria elektroner:

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

Eftersom det inte finns något yttre elektriskt fält, då:

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

$F=qvBsin\alpha$

Eftersom magnetfältet är vinkelrätt mot den roterande skivan, då:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

Beroende på skivans rotationsriktning riktar Lorentzkraften fria elektroner antingen mot skivans mitt eller mot ytterkanten. Ett elektriskt fält utvecklas mellan mitten och utsidan av skivan . Detta fält är vinkelrät mot planet i vilket vektorerna och ligger , och det kommer att växa tills den elektriska kraften kompenserar för Lorentzkraften: $\mathbf {E_{\perp }}$ $\mathbf {v}$ $\mathbf {B}$ $q\mathbf {E_{\perp }}$

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

$E_{\perp }=\Omega rB$

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

Om en elektrisk krets är ansluten till axeln och den yttre sidan av skivan, kommer en elektrisk ström att flyta i den.

Historik

Faraday disk

År 1831 byggde Michael Faraday , efter att ha upptäckt lagen om elektromagnetisk induktion, bland andra experiment, en visuell anordning för att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi - Faraday-skivan. Det var en extremt ineffektiv apparat, men den var av betydande värde för den fortsatta utvecklingen av vetenskapen.

Lagen om elektromagnetisk induktion , formulerad av Faraday, betraktade som en ledande krets som korsar magnetfältslinjer. Men i fallet med Faraday-skivan riktades magnetfältet längs rotationsaxeln och konturen rörde sig inte i förhållande till fältet. Den största överraskningen orsakades av det faktum att magnetens rotation tillsammans med skivan också ledde till uppkomsten av en EMF i en stationär extern krets. Så här uppträdde Faradays paradox , som löstes bara några år efter hans död med upptäckten av en elektron - en elektrisk laddningsbärare , vars rörelse orsakar en elektrisk ström i metaller .

Den tydligt synliga paradoxaliteten med unipolär induktion uttrycks av följande tabell, som beskriver olika kombinationer av rotation och orörlighet för delar av installationen, och ett utropstecken markerar resultatet, vilket inte är intuitivt förklarat - utseendet av ström i en stationär extern kretsen samtidigt som man roterar skivan och magneten fäst med den.

magnet	disk	extern krets	finns det spänning?
orörlig	orörlig	orörlig	saknas
orörlig	kretsar	orörlig	Det finns
orörlig	orörlig	kretsar	Det finns
orörlig	kretsar	kretsar	saknas
kretsar	orörlig	orörlig	saknas
kretsar	kretsar	orörlig	Det finns (!)
kretsar	orörlig	kretsar	Det finns
kretsar	kretsar	kretsar	saknas

Unipolär induktion är en relativistisk effekt , där den relativa karaktären av uppdelningen av det elektromagnetiska fältet i elektriska och magnetiska är tydligt manifesterad .

Att lösa Faradays paradoxer

När bara skivan roterar finns det spänning eftersom den elektriskt ledande skivan rör sig i närvaro av ett enhetligt magnetfält, så Lorentzkraften skapar en potentialskillnad mellan skivans kant och dess centrum. För uppkomsten av Lorentz-kraften spelar det ingen roll om magneten själv roterar eller inte. Magnetens axel är vald på ett sådant sätt att magnetens rotation inte ändrar dess fält, och om vi inte hade sett magneten hade vi aldrig vetat om den roterar eller inte.
När bara kretsen roterar finns det spänning, eftersom kretsen roterar i ett magnetfält skapar Lorentzkraften en potentialskillnad i själva kretsen och den stationära skivan stänger plus och minus. Till skillnad från det tidigare fallet är skivan och kedjan omvända.
När både skivan och kedjan roterar finns det ingen spänning, för nu representerar kedjan och skivan en enda helhet för Lorentzkraften. Denna singelformation kommer att ha ett plus på utsidan och ett minus i mitten. För att mäta skillnaden mellan detta plus och minus måste du ansluta en annan fast och elektriskt neutral voltmeter.
När bara magneten snurrar finns det ingen spänning eftersom skivan är i vila. Lorentzkraften kräver att skivan roterar i närvaro av ett magnetfält. Och om magneten kommer att rotera eller inte, det spelar ingen roll, dess rotation påverkar inte magnetfältet.
När magneten roterar med skivan kommer det att finnas spänning eftersom skivan roterar i närvaro av ett enhetligt magnetfält. Därför skapar Lorentz-kraften en potentialskillnad mellan kanten och mitten av skivan, som kan mätas med en stationär voltmeter. Om du ansluter en last istället för en voltmeter kommer ström att flyta. I alla dessa exempel spelar magnetens rotation ingen roll. eftersom magnetens rotation inte förändrar fältet.
När kretsen och magneten roterar kommer det att finnas spänning eftersom den elektriskt ledande kretsen roterar i närvaro av ett magnetfält. Lorentzkraften skapar en potentialskillnad i den, och den fasta skivan stänger den. Om den roterande kedjan höjs högre och båda borstarna är anslutna till axeln, blir det ingen spänning. Det kommer att finnas en elektrifierad krets - plus på ena sidan, minus på den andra.
När magneten, skivan och kretsen alla roterar tillsammans blir det ingen spänning, eftersom kretsen med skivan är en hel - en något större roterande skiva. För att spänningen ska synas måste du antingen stoppa kedjan eller skivan. Skivans rotation spelar ingen roll i detta och i de andra exemplen, eftersom fältet inte förändras på grund av skivans rotation.

Patent och några praktiska mönster

Charles E. Ball (US238631; mars 1881), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor fick de tidigaste kända designpatenten för unipolära generatorer.
Nikola Tesla ( US Patent 406 968 ) utvecklade en design där två skivor roterade på parallella axlar i olika magnetfält förbundna med ett metallbälte.
1989 fungerade en unipolär generator i Australien, som genererade en ström på 1500 kA vid en spänning på 800 V.

Railgun generator

Sådana positiva egenskaper hos unipolära generatorer som enkelhet, tillförlitlighet och kostnad manifesteras huvudsakligen i applikationer där det är nödvändigt att erhålla låga spänningar (i storleksordningen 10 volt) vid hög ström. [1] En sådan applikation var railgungeneratorn . Så, på initiativ av Mark Oliphant , byggdes en stor unipolär generator i Australian National Laboratory, som blev en pålitlig källa för megaampere-pulser för railgun, och senare användes den i LT4- tokamak för att excitera plasman. [2]

Plasmafysik, MHD-generatorer

Astrofysik

Den viktigaste sfären för modern tillämpning av konceptet med en unipolär generator är astrofysik. I ett antal stjärnsystem i rymden observeras naturliga magnetfält och ledande skivor från plasma, vars beteende så att säga upprepar Faradays och Teslas experiment.

Pseudovetenskapligt kvacksalveri

Denna typ av elektriska maskiner har upprepade gånger använts för att bygga en evighetsmaskin, en källa till fri energi och liknande bluff.

Den mest kända historien är den så kallade "N-maskinen" av Bruce de Palma (2 oktober 1935 - oktober 1997), som förklarade att i sin design skulle energin som produceras av Faraday-skivan vara fem gånger större än energin som spenderas på sin rotation. Men 1997, efter Bruce de Palmas död, testades den byggda kopian av hans bil officiellt med ett negativt resultat. Den producerade energin försvann i form av värme och dess värde översteg inte det förbrukade.

Grunden för sådana spekulationer är en felaktig förståelse av den välkända "Faradays paradox" och tanken att lösningen av denna "paradox" ligger i vissa speciella områden och egenskaper hos rymden (till exempel "torsion"), samt påståendet att i unipolär finns det ingen tillbaka EMF i generatorer , vilket motsätter sig rotation när strömmen är sluten genom lasten.

Det finns också design av "unipolära generatorer" och motorer, vars författarna annonserar en enorm vinst jämfört med traditionella elektriska maskiner.

Den bokstavliga ("unipolära") förståelsen av termen "unipolär" (homopolär) felaktigt tillämpad på denna klass av enheter är också överdriven. I själva verket borde dessa enheter mer korrekt kallas "enhetligt magnetiskt fält, likström och icke-omkopplade rotoranslutningsanordningar", eftersom andra elektriska maskiner använder både / eller ett olikformigt magnetfält och / eller växelström och / eller kopplingsdelar av rotorlindningen.

Ytterligare svårigheter med att förklara driften av unipolära elektriska maskiner orsakas av idén om rörelsen av laddningsbärare, elektroner, i synnerhet termen "hastighet". För det första uppstår frågan omedelbart om hastigheten i förhållande till vad vi överväger i detta fall. För det andra kan en ouppmärksam entusiasts bekantskap med den speciella relativitetsteorin leda till förvirrande jonglering med begreppen "observatör", "hastighet" och liknande.

Se även

Unipolär induktion
På grund av reversibilitetsprincipen för elektriska maskiner är en unipolär elmotor också möjlig .

Länkar

I. E. Tamm . Grunderna i teorin om elektricitet. Avsnitt 112
Physical encyclopedia , v.5, s. 224 , s. 225 , artikel "Unipolar induction", författarna G. V. Permitin, Yu. V. Chugunov.
L. A. Sukhanov . Elektriska unipolära maskiner, 1964
Unipolär generator // Computerra , apr 2007 /webarchive/

Anteckningar

↑ L.A. Sukhanov, R.Kh. Safiullina, Yu.A. Bobkov. Redigerad av L.A. Sukhanov. "Elektriska unipolära maskiner." Moskva: VNIEM, 1964, 137 s. 23
↑ The Big Machine Arkiverad 17 maj 2013 på Wayback Machine . (Engelsk)