Unipolární generátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. dubna 2022; kontroly vyžadují 18 úprav .

Unipolární generátor je druh stejnosměrného elektrického stroje . Obsahuje vodivý kotouč, konstantní magnetické pole rovnoběžné s osou otáčení kotouče, 1. sběrač proudu na ose kotouče a 2. sběrač proudu na okraji kotouče.

Jak to funguje

Elektricky vodivý kotouč je umístěn mezi póly permanentního magnetu a roztočen. Osa rotace disku je rovnoběžná s magnetickými siločárami. Když se disk otáčí v rovnoměrném magnetickém poli, Lorentzova síla působí na volné elektrony disku:

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

Protože neexistuje žádné vnější elektrické pole, pak:

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

$F=qvBsin\alpha$

Protože magnetické pole je kolmé k rotujícímu disku, pak:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

V závislosti na směru otáčení disku Lorentzova síla směřuje volné elektrony buď ke středu disku, nebo k vnějšímu okraji. Mezi středem a vnější stranou disku vzniká elektrické pole . Toto pole je kolmé k rovině, ve které leží vektory a leží , a bude růst, dokud elektrická síla nevyrovná Lorentzovu sílu: $\mathbf {E_{\perp }}$ $\mathbf {v}$ $\mathbf {B}$ $q\mathbf {E_{\perp }}$

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

$E_{\perp }=\Omega rB$

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

Pokud je k hřídeli a vnější straně disku připojen elektrický obvod, pak v něm poteče elektrický proud.

Historie

Faradayův disk

V roce 1831 Michael Faraday , který kromě jiných experimentů objevil zákon elektromagnetické indukce, sestrojil vizuální zařízení pro přeměnu mechanické energie na energii elektrickou - Faradayův disk. Bylo to extrémně neefektivní zařízení, ale mělo významnou hodnotu pro další rozvoj vědy.

Zákon elektromagnetické indukce , formulovaný Faradayem, považoval za vodivý obvod protínající siločáry magnetického pole. V případě Faradayova disku však bylo magnetické pole nasměrováno podél osy rotace a obrys se vzhledem k poli nepohyboval. Největší překvapení způsobila skutečnost, že rotace magnetu spolu s diskem také vedla ke vzniku EMF ve stacionárním vnějším obvodu. Tak se objevil Faradayův paradox vyřešený jen pár let po jeho smrti objevem elektronu - nosiče elektrického náboje , jehož pohyb způsobuje v kovech elektrický proud .

Jasně viditelnou paradoxnost unipolární indukce vyjadřuje následující tabulka, která popisuje různé kombinace rotace a nehybnosti částí instalace a vykřičník označuje výsledek, který není intuitivně vysvětlitelný – výskyt proudu ve stacionárním externím obvodu při současném otáčení disku a magnetu s ním upevněného.

magnet	disk	vnější obvod	je tam napětí?
bez hnutí	bez hnutí	bez hnutí	chybějící
bez hnutí	se točí	bez hnutí	Tady je
bez hnutí	bez hnutí	se točí	Tady je
bez hnutí	se točí	se točí	chybějící
se točí	bez hnutí	bez hnutí	chybějící
se točí	se točí	bez hnutí	Tady je (!)
se točí	bez hnutí	se točí	Tady je
se točí	se točí	se točí	chybějící

Unipolární indukce je relativistický efekt , ve kterém se jasně projevuje relativní povaha rozdělení elektromagnetického pole na elektrické a magnetické .

Řešení Faradayových paradoxů

Když se otáčí pouze disk, existuje napětí, protože elektricky vodivý disk se pohybuje v přítomnosti rovnoměrného magnetického pole, takže Lorentzova síla vytváří potenciální rozdíl mezi okrajem disku a jeho středem. Pro vznik Lorentzovy síly nezáleží na tom, zda se magnet sám otáčí nebo ne. Osa magnetu je zvolena tak, aby rotace magnetu neměnila jeho pole a kdybychom magnet neviděli, nikdy bychom nevěděli, zda se otáčí nebo ne.
Když se otáčí pouze obvod, existuje napětí, protože obvod se otáčí v magnetickém poli, Lorentzova síla vytváří potenciálový rozdíl v samotném obvodu a stacionární disk se uzavírá plus a mínus. Na rozdíl od předchozího případu jsou kotouč a řetěz obráceny.
Když se kotouč i řetěz otáčí, není zde žádné napětí, protože řetěz a kotouč nyní představují jeden celek pro Lorentzovu sílu. Tato jediná formace bude mít plus na vnější straně a mínus ve středu. Aby bylo možné změřit rozdíl mezi tímto plusem a mínusem, musíte připojit další pevný a elektricky neutrální voltmetr.
Když se točí pouze magnet, není tam žádné napětí, protože disk je v klidu. Lorentzova síla vyžaduje, aby se disk otáčel v přítomnosti magnetického pole. A jestli se magnet bude otáčet nebo ne, to je jedno, jeho rotace neovlivňuje magnetické pole.
Když se magnet otáčí s diskem, bude tam napětí, protože se disk otáčí v přítomnosti rovnoměrného magnetického pole. Proto Lorentzova síla vytváří potenciální rozdíl mezi okrajem a středem disku, který lze měřit stacionárním voltmetrem. Pokud místo voltmetru připojíte zátěž, poteče proud. Ve všech těchto příkladech nehraje rotace magnetu žádnou roli. protože rotace magnetu nemění pole.
Když se obvod a magnet otáčí, bude zde napětí, protože elektricky vodivý obvod se otáčí v přítomnosti magnetického pole. Lorentzova síla v něm vytváří potenciální rozdíl a pevný disk ho uzavírá. Pokud je rotující řetěz zvednutý výše a oba kartáče jsou připojeny k hřídeli, pak nebude žádné napětí. Bude tam elektrifikovaný okruh – plus na jedné straně, mínus na druhé.
Když se magnet, disk a obvod otáčí společně, nebude zde žádné napětí, protože obvod s diskem je jeden celek - o něco větší rotující disk. Aby se napětí objevilo, musíte buď zastavit řetěz nebo disk. V tomto a v jiných příkladech nezáleží na rotaci disku, protože pole se nemění v důsledku rotace disku.

Patenty a některé praktické vzory

Charles E. Ball (US238631; březen 1881), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor obdrželi první známé konstrukční patenty na unipolární generátory.
Nikola Tesla ( US Patent 406,968 ) vyvinul konstrukci, ve které se dva disky otáčely na paralelních osách v různých magnetických polích spojených kovovým pásem.
V roce 1989 fungoval v Austrálii unipolární generátor, který při napětí 800 V generoval proud 1500 kA.

Generátor Railgun

Takové pozitivní vlastnosti unipolárních generátorů, jako je jednoduchost, spolehlivost a cena, se projevují především v aplikacích, kde je potřeba získat nízká napětí (řádově 10 voltů) při vysokém proudu. [1] Jednou z takových aplikací byl generátor railgun . Z iniciativy Marka Oliphanta byl tedy v Australian National Laboratory postaven velký unipolární generátor, který se stal spolehlivým zdrojem megaampérových pulsů pro railgun a později byl použit v tokamaku LT4 k buzení plazmatu. [2]

Fyzika plazmatu, generátory MHD

Astrofyzika

Nejvýznamnější oblastí moderní aplikace konceptu unipolárního generátoru je astrofyzika. V řadě hvězdných systémů ve vesmíru jsou pozorována přirozená magnetická pole a vodivé disky z plazmatu, jejichž chování jakoby opakuje experimenty Faradaye a Tesly.

Pseudovědecké šarlatánství

Tento typ elektrických strojů byl opakovaně používán ke stavbě perpetum mobile, zdroje volné energie a podobných podvodů.

Nejznámějším příběhem je takzvaný „N-machine“ od Bruce de Palma (2. října 1935 – říjen 1997), který prohlásil, že v jeho návrhu by energie produkovaná Faradayovým diskem byla pětkrát větší než vynaložená energie. na jeho rotaci. V roce 1997, po smrti Bruce de Palmy, však byla postavená kopie jeho vozu oficiálně testována s negativním výsledkem. Vyrobená energie byla odváděna ve formě tepla a její hodnota nepřevyšovala vynaloženou.

Základem takových spekulací je nesprávné pochopení známého „Faradayova paradoxu“ a představa, že řešení tohoto „paradoxu“ spočívá v některých speciálních polích a vlastnostech prostoru (například „torze“), stejně jako tvrzení, že v unipolárních generátorech není zpětné EMF , které brání rotaci, když je proud uzavřen přes zátěž.

Existují také návrhy „unipolárních generátorů“ a motorů, jejichž autoři inzerují obrovský zisk oproti tradičním elektrickým strojům.

Doslovné („unipolární“) chápání termínu „unipolární“ (homopolární) nesprávně aplikované na tuto třídu zařízení je také přehnané. Ve skutečnosti by se tato zařízení měla správněji nazývat „stejnoměrné magnetické pole, stejnosměrný proud a nespínaná zařízení pro připojení rotoru“, protože jiné elektrické stroje používají obě / nebo nerovnoměrné magnetické pole a / nebo střídavý proud a / nebo spínací části. vinutí rotoru.

Další potíže s vysvětlením činnosti unipolárních elektrických strojů jsou způsobeny myšlenkou pohybu nosičů náboje, elektronů, zejména termínem "rychlost". Za prvé, okamžitě vyvstává otázka, jaká je rychlost vzhledem k tomu, co v tomto případě uvažujeme. Za druhé, obeznámení nepozorného nadšence se speciální teorií relativity ho může vést k matoucímu žonglování s pojmy „pozorovatel“, „rychlost“ a podobně.

Viz také

Unipolární indukce
Vzhledem k principu reverzibility elektrických strojů je možný i unipolární elektromotor .

Odkazy

I. E. Tamm . Základy teorie elektřiny. Sekce 112
Fyzická encyklopedie , v.5, str. 224 , str. 225 , článek "Unipolární indukce", autoři G. V. Permitin, Yu. V. Chugunov.
L. A. Suchanov . Elektrické unipolární stroje, 1964
Unipolární generátor // Computerra , duben 2007 /webarchive/

Poznámky

↑ L.A. Sukhanov, R.Kh. Safiullina, Yu.A. Bobkov. Editoval L.A. Sukhanov. "Elektrické unipolární stroje." Moskva: VNIIEM, 1964, 137 s. 23
↑ Velký stroj archivován 17. května 2013 na Wayback Machine . (Angličtina)