Yksinapainen generaattori

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 19. huhtikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 18 muokkausta .

Yksinapainen generaattori on eräänlainen tasavirtasähkökone . Se sisältää johtavan levyn, tasaisen magneettikentän , joka on yhdensuuntainen levyn pyörimisakselin kanssa, 1. virrankeräimen levyn akselilla ja 2. virrankeräimen levyn reunalla.

Kuinka se toimii

Kestomagneetin napojen väliin asetetaan sähköä johtava kiekko ja kehrätään. Levyn pyörimisakseli on yhdensuuntainen magneettikenttälinjojen kanssa. Kun levy pyörii tasaisessa magneettikentässä, Lorentzin voima vaikuttaa levyn vapaisiin elektroneihin:

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

Koska ulkoista sähkökenttää ei ole, niin:

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

$F=qvBsin\alpha$

Koska magneettikenttä on kohtisuorassa pyörivään levyyn nähden, niin:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

Levyn pyörimissuunnasta riippuen Lorentzin voima ohjaa vapaita elektroneja joko kohti levyn keskustaa tai ulkoreunaa kohti. Sähkökenttä kehittyy levyn keskiosan ja ulkopuolen väliin . Tämä kenttä on kohtisuorassa tasoon, jossa vektorit ja sijaitsevat , ja se kasvaa, kunnes sähkövoima kompensoi Lorentzin voiman: $\mathbf {E_{\perp }}$ $\mathbf {v}$ $\mathbf {B}$ $q\mathbf {E_{\perp }}$

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

$E_{\perp }=\Omega rB$

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

Jos sähköpiiri on kytketty akseliin ja levyn ulkopuolelle, siinä virtaa sähkövirta.

Historia

Faraday-levy

Vuonna 1831 Michael Faraday , löydettyään sähkömagneettisen induktion lain muiden kokeiden ohella, rakensi visuaalisen laitteen mekaanisen energian muuttamiseksi sähköenergiaksi - Faraday-levyn. Se oli erittäin tehoton laite, mutta sillä oli merkittävä arvo tieteen jatkokehityksen kannalta.

Faradayn muotoilemaa sähkömagneettisen induktion lakia pidettiin johtavana piirinä, joka ylittää magneettikenttäviivat. Faradayn levyn tapauksessa magneettikenttä oli kuitenkin suunnattu pyörimisakselia pitkin, eikä ääriviiva liikkunut kenttään nähden. Suurimman yllätyksen aiheutti se, että magneetin pyöriminen yhdessä levyn kanssa johti myös EMF:n ilmestymiseen kiinteään ulkoiseen piiriin. Näin ilmestyi Faradayn paradoksi , joka ratkesi vain muutama vuosi hänen kuolemansa jälkeen, kun löydettiin elektroni - sähkövarauksen kantaja , jonka liike aiheuttaa sähkövirran metalleissa .

Yksinapaisen induktion selkeästi näkyvä paradoksaalisuus ilmaistaan seuraavassa taulukossa, jossa on kuvattu erilaisia asennuksen osien pyörimisen ja liikkumattomuuden yhdistelmiä ja huutomerkki merkitsee tulosta, joka ei ole intuitiivisesti selitettävissä - virran esiintyminen paikallaan olevassa ulkoisessa. pyörittämällä samanaikaisesti levyä ja siihen kiinnitettyä magneettia.

magneetti	levy	ulkoinen piiri	onko jännitteitä?
liikkumaton	liikkumaton	liikkumaton	puuttuu
liikkumaton	pyörii	liikkumaton	On
liikkumaton	liikkumaton	pyörii	On
liikkumaton	pyörii	pyörii	puuttuu
pyörii	liikkumaton	liikkumaton	puuttuu
pyörii	pyörii	liikkumaton	On (!)
pyörii	liikkumaton	pyörii	On
pyörii	pyörii	pyörii	puuttuu

Unipolaarinen induktio on relativistinen ilmiö , jossa sähkömagneettisen kentän sähköiseen ja magneettiseen jakautumisen suhteellinen luonne ilmenee selvästi .

Faradayn paradoksien ratkaiseminen

Kun vain levy pyörii, syntyy jännitettä, koska sähköä johtava kiekko liikkuu tasaisen magneettikentän läsnäollessa, joten Lorentzin voima luo potentiaalieron levyn reunan ja sen keskustan välille. Lorentzin voiman syntymiselle ei ole väliä, pyöriikö magneetti itse vai ei. Magneetin akseli valitaan siten, että magneetin pyöriminen ei muuta sen kenttää, ja jos emme olisi nähneet magneettia, emme olisi koskaan tienneet pyöriikö se vai ei.
Kun vain piiri pyörii, on jännitettä, koska piiri pyörii magneettikentässä, Lorentzin voima luo potentiaalieron itse piiriin ja paikallaan oleva levy sulkeutuu plus- ja miinus. Toisin kuin edellisessä tapauksessa, levy ja ketju ovat päinvastaiset.
Kun sekä kiekko että ketju pyörivät, ei ole jännitettä, koska nyt ketju ja kiekko edustavat yhtä kokonaisuutta Lorentzin voimalle. Tällä yksittäisellä muodostelmalla on plussa ulkopuolelta ja miinus keskellä. Tämän plus- ja miinuseron mittaamiseksi sinun on kytkettävä toinen kiinteä ja sähköisesti neutraali volttimittari.
Kun vain magneetti pyörii, jännitettä ei ole, koska levy on levossa. Lorentzin voima vaatii levyn pyörimisen magneettikentän läsnä ollessa. Ja pyöriikö magneetti vai ei, sillä ei ole väliä, sen pyöriminen ei vaikuta magneettikenttään.
Kun magneetti pyörii levyn mukana, syntyy jännitettä, koska levy pyörii tasaisen magneettikentän läsnä ollessa. Siksi Lorentzin voima luo potentiaalieron levyn reunan ja keskikohdan välille, joka voidaan mitata paikallaan olevalla volttimittarilla. Jos kytket kuorman volttimittarin sijaan, virta kulkee. Kaikissa näissä esimerkeissä magneetin pyörimisellä ei ole merkitystä. koska magneetin pyöriminen ei muuta kenttää.
Kun piiri ja magneetti pyörivät, syntyy jännitettä, koska sähköä johtava piiri pyörii magneettikentän läsnä ollessa. Lorentzin voima luo siihen potentiaalieron, ja kiinteä levy sulkee sen. Jos pyörivä ketju nostetaan korkeammalle ja molemmat harjat on kytketty akseliin, ei ole jännitettä. Tulee sähköistetty piiri - plus toisella puolella, miinus toisella.
Kun magneetti, levy ja piiri pyörivät yhdessä, jännitettä ei tule, koska piiri levyn kanssa on yksi kokonaisuus - hieman suurempi pyörivä levy. Jotta jännite ilmestyisi, sinun on joko pysäytettävä ketju tai levy. Levyn pyörityksellä ei tässä ja muissa esimerkeissä ole väliä, koska kenttä ei muutu levyn pyörimisen takia.

Patentit ja käytännölliset mallit

Charles E. Ball (US238631; maaliskuu 1881), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor saivat varhaisimmat tunnetut yksinapaisten generaattoreiden suunnittelupatentit.
Nikola Tesla ( US-patentti 406 968 ) kehitti mallin, jossa kaksi kiekkoa pyöri samansuuntaisilla akseleilla eri magneettikentillä yhdistettynä metallihihnalla.
Vuonna 1989 Australiassa toimi yksinapainen generaattori, joka tuotti 1500 kA virran 800 V jännitteellä.

Railgun generaattori

Sellaiset yksinapaisten generaattoreiden positiiviset ominaisuudet, kuten yksinkertaisuus, luotettavuus ja hinta, ilmenevät pääasiassa sovelluksissa, joissa on tarpeen saada matalat jännitteet (luokkaa 10 volttia) suurella virralla. [1] Yksi tällainen sovellus oli railgun generaattori . Joten Mark Oliphantin aloitteesta Australian kansalliseen laboratorioon rakennettiin suuri yksinapainen generaattori, josta tuli luotettava megaampeeripulssien lähde kiskoaseille, ja myöhemmin sitä käytettiin LT4- tokamakissa plasman virittämiseen. [2]

Plasmafysiikka, MHD-generaattorit

Astrofysiikka

Yksinapaisen generaattorin käsitteen nykyaikaisen soveltamisen merkittävin alue on astrofysiikka. Useissa avaruuden tähtijärjestelmissä havaitaan luonnollisia magneettikenttiä ja plasmasta johtavia levyjä, joiden käyttäytyminen ikään kuin toistaa Faradayn ja Teslan kokeita.

Pseudotieteellinen huijaus

Tämän tyyppisiä sähkökoneita on toistuvasti käytetty ikuisen liikkeen, vapaan energian lähteen ja vastaavien huijausten rakentamiseen.

Tunnetuin tarina on Bruce de Palman (2. lokakuuta 1935 - lokakuuta 1997) niin kutsuttu "N-kone", joka julisti, että hänen suunnittelussaan Faradayn levyn tuottama energia olisi viisi kertaa suurempi kuin kulutettu energia. sen pyörimisessä. Kuitenkin vuonna 1997, Bruce de Palman kuoleman jälkeen, hänen autonsa rakennettu kopio testattiin virallisesti negatiivisella tuloksella. Tuotettu energia haihtui lämmön muodossa, eikä sen arvo ylittänyt kulutettua.

Tällaisten spekulaatioiden perustana on tunnetun "Faradayn paradoksin" virheellinen ymmärrys ja ajatus, että tämän "paradoksin" ratkaisu piilee joissakin avaruuden erityisissä kentissä ja ominaisuuksissa (esim. "torsion"), sekä väite, että unipolaarisissa generaattoreissa ei ole taka-EMF :ää , mikä vastustaa pyörimistä, kun virta suljetaan kuorman läpi.

On olemassa myös "yksinapaisia generaattoreita" ja moottoreita, joiden kirjoittajat mainostavat valtavaa voittoa perinteisiin sähkökoneisiin verrattuna.

Myös kirjaimellinen ("unipolaarinen") käsitteen "unipolaarinen" (homopolaarinen) ymmärtäminen väärin sovellettaessa tähän laiteluokkaan on liioiteltua. Itse asiassa näitä laitteita pitäisi kutsua oikeammin "tasaisen magneettikentän, tasavirran ja kytkemättömien roottorin liitäntälaitteiksi", koska muut sähkökoneet käyttävät sekä/tai epätasaista magneettikenttää ja/tai vaihtovirta- ja/tai kytkentäosia roottorin käämityksestä.

Lisävaikeuksia yksinapaisten sähkökoneiden toiminnan selittämisessä aiheuttaa ajatus varauksenkuljettajien, elektronien liikkeestä, erityisesti termistä "nopeus". Ensinnäkin herää heti kysymys nopeudesta suhteessa siihen, mitä tarkastelemme tässä tapauksessa. Toiseksi välinpitämättömän harrastajan perehtyminen erityiseen suhteellisuusteoriaan voi saada hänet hämmentämään jongleerausta "tarkkailijan", "nopeuden" ja vastaavien käsitteiden kanssa.

Katso myös

Unipolaarinen induktio
Sähkökoneiden käännettävyysperiaatteen ansiosta myös yksinapainen sähkömoottori on mahdollinen .

Linkit

I.E. Tamm . Sähköteorian perusteet. § 112
Physical Encyclopedia , v.5, s. 224 , s. 225 , artikkeli "Unipolaarinen induktio", kirjoittajat G. V. Permitin, Yu. V. Chugunov.
L. A. Sukhanov . Yksinapaiset sähkökoneet, 1964
Unipolaarinen generaattori // Computerra , huhtikuu 2007 /verkkoarkisto/

Muistiinpanot

↑ L.A. Sukhanov, R.Kh. Safiullina, Yu.A. Bobkov. Toimittanut L.A. Sukhanov. "Sähköiset yksinapaiset koneet." Moskova: VNIIEM, 1964, 137, s. 23
↑ The Big Machine arkistoitu 17. toukokuuta 2013 Wayback Machinessa . (Englanti)