Unipolær generator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 19. april 2022; checks kræver 18 redigeringer .

En unipolær generator er en type DC elektrisk maskine . Den indeholder en ledende skive, et konstant magnetfelt parallelt med skivens rotationsakse, 1. strømaftager på skivens akse og 2. strømaftager ved kanten af skiven.

Sådan virker det

En elektrisk ledende skive anbringes mellem polerne på en permanent magnet og drejes. Skivens rotationsakse er parallel med magnetfeltlinjerne. Når disken roterer i et ensartet magnetfelt, virker Lorentz-kraften på diskens frie elektroner:

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

Da der ikke er noget eksternt elektrisk felt, så:

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

$F=qvBsin\alpha$

Da magnetfeltet er vinkelret på den roterende skive, så:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

Afhængig af skivens rotationsretning leder Lorentz-kraften frie elektroner enten mod midten af skiven eller mod yderkanten. Et elektrisk felt udvikles mellem midten og ydersiden af skiven . Dette felt er vinkelret på det plan, som vektorerne og ligger i, og det vil vokse, indtil den elektriske kraft kompenserer for Lorentz-kraften: $\mathbf {E_{\perp }}$ $\mathbf {v}$ $\mathbf {B}$ $q\mathbf {E_{\perp }}$

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

$E_{\perp }=\Omega rB$

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

Hvis et elektrisk kredsløb er forbundet til akslen og den ydre side af disken, vil der strømme en elektrisk strøm i den.

Historie

Faraday disk

I 1831 byggede Michael Faraday , efter at have opdaget loven om elektromagnetisk induktion, blandt andre eksperimenter, en visuel enhed til at konvertere mekanisk energi til elektrisk energi - Faraday-skiven. Det var et ekstremt ineffektivt apparat, men det var af betydelig værdi for den videre udvikling af videnskaben.

Loven om elektromagnetisk induktion , formuleret af Faraday, betragtede et ledende kredsløb, der krydser magnetiske feltlinjer. Men i tilfældet med Faraday-skiven blev magnetfeltet rettet langs rotationsaksen, og konturen bevægede sig ikke i forhold til feltet. Den største overraskelse var forårsaget af det faktum, at rotationen af magneten sammen med disken også førte til udseendet af en EMF i et stationært eksternt kredsløb. Sådan optrådte Faradays paradoks , løst kun få år efter hans død med opdagelsen af en elektron - en elektrisk ladningsbærer , hvis bevægelse forårsager en elektrisk strøm i metaller .

Den klart synlige paradoksalitet ved unipolær induktion er udtrykt af følgende tabel, som beskriver forskellige kombinationer af rotation og immobilitet af dele af installationen, og et udråbstegn markerer resultatet, som ikke er intuitivt forklarligt - udseendet af strøm i en stationær ekstern kredsløb, mens disken og magneten, der er fastgjort med den, roteres.

magnet	disk	eksternt kredsløb	er der spænding?
ubevægelig	ubevægelig	ubevægelig	mangler
ubevægelig	roterer	ubevægelig	Der er
ubevægelig	ubevægelig	roterer	Der er
ubevægelig	roterer	roterer	mangler
roterer	ubevægelig	ubevægelig	mangler
roterer	roterer	ubevægelig	Der er (!)
roterer	ubevægelig	roterer	Der er
roterer	roterer	roterer	mangler

Unipolær induktion er en relativistisk effekt , hvor den relative karakter af opdelingen af det elektromagnetiske felt i elektrisk og magnetisk er tydeligt manifesteret .

Løsning af Faradays paradokser

Når kun skiven roterer, er der spænding, fordi den elektrisk ledende skive bevæger sig i nærvær af et ensartet magnetfelt, så Lorentz-kraften skaber en potentialforskel mellem skivens kant og dens centrum. For fremkomsten af Lorentz-kraften er det ligegyldigt, om magneten selv roterer eller ej. Magnetens akse er valgt sådan, at magnetens rotation ikke ændrer dens felt, og hvis vi ikke havde set magneten, havde vi aldrig vidst, om den roterer eller ej.
Når kun kredsløbet roterer, er der spænding, fordi kredsløbet roterer i et magnetfelt, Lorentz-kraften skaber en potentialforskel i selve kredsløbet, og den stationære skive lukker plus og minus. I modsætning til det foregående tilfælde er disken og kæden omvendt.
Når både skiven og kæden roterer, er der ingen spænding, for nu repræsenterer kæden og skiven en enkelt helhed for Lorentz-kraften. Denne enkeltformation vil have et plus på ydersiden og et minus i midten. For at måle forskellen mellem dette plus og minus skal du tilslutte et andet fast og elektrisk neutralt voltmeter.
Når kun magneten drejer, er der ingen spænding, fordi skiven er i ro. Lorentz-kraften kræver, at skiven roterer i nærvær af et magnetfelt. Og om magneten vil rotere eller ej, det er ligegyldigt, dens rotation påvirker ikke magnetfeltet.
Når magneten roterer med skiven, vil der være spænding, fordi skiven roterer i nærvær af et ensartet magnetfelt. Derfor skaber Lorentz-kraften en potentialforskel mellem kanten og midten af skiven, som kan måles med et stationært voltmeter. Hvis du tilslutter en belastning i stedet for et voltmeter, vil der strømme strøm. I alle disse eksempler spiller magnetens rotation ingen rolle. fordi magnetens rotation ikke ændrer feltet.
Når kredsløbet og magneten roterer, vil der være spænding, fordi det elektrisk ledende kredsløb roterer i nærvær af et magnetfelt. Lorentz-kraften skaber en potentiel forskel i den, og den faste skive lukker den. Hvis den roterende kæde hæves højere, og begge børster er forbundet til akslen, vil der ikke være nogen spænding. Der vil være et elektrificeret kredsløb - plus på den ene side, minus på den anden.
Når magneten, skiven og kredsløbet alle roterer sammen, vil der ikke være spænding, fordi kredsløbet med skiven er én hel - en lidt større roterende skive. For at spændingen kan vises, skal du enten stoppe kæden eller disken. Skivens rotation betyder ikke noget i dette og i de andre eksempler, da feltet ikke ændres på grund af skivens rotation.

Patenter og nogle praktiske designs

Charles E. Ball (US238631; marts 1881), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor modtog de tidligst kendte designpatenter for unipolære generatorer.
Nikola Tesla ( US Patent 406.968 ) udviklede et design, hvor to skiver roterede på parallelle akser i forskellige magnetfelter forbundet med et metalbælte.
I 1989 fungerede en unipolær generator i Australien, der genererede en strøm på 1500 kA ved en spænding på 800 V.

Railgun generator

Sådanne positive egenskaber ved unipolære generatorer som enkelhed, pålidelighed og omkostninger manifesteres hovedsageligt i applikationer, hvor det er nødvendigt at opnå lave spændinger (i størrelsesordenen 10 volt) ved høj strøm. [1] En sådan applikation var railgun generatoren . Så på initiativ af Mark Oliphant blev der bygget en stor unipolær generator i Australian National Laboratory, som blev en pålidelig kilde til megaampere-impulser til railgun, og senere blev den brugt i LT4- tokamak til at excitere plasmaet. [2]

Plasmafysik, MHD-generatorer

Astrofysik

Den mest betydningsfulde sfære af moderne anvendelse af konceptet med en unipolær generator er astrofysik. I en række stjernesystemer i rummet observeres naturlige magnetfelter og ledende diske fra plasma, hvis adfærd så at sige gentager Faradays og Teslas eksperimenter.

Pseudo-videnskabeligt kvaksalveri

Denne type elektriske maskiner er gentagne gange blevet brugt til at bygge en evighedsmaskine, en kilde til fri energi og lignende svindelnumre.

Den mest berømte historie er den såkaldte "N-maskine" af Bruce de Palma (2. oktober 1935 - oktober 1997), som erklærede, at i hans design ville energien produceret af Faraday-skiven være fem gange større end den energi, der blev brugt på sin rotation. Men i 1997, efter Bruce de Palmas død, blev den byggede kopi af hans bil officielt testet med et negativt resultat. Den producerede energi blev spredt i form af varme, og dens værdi oversteg ikke den forbrugte.

Grundlaget for sådanne spekulationer er en forkert forståelse af det velkendte "Faradays paradoks" og ideen om, at løsningen af dette "paradoks" ligger i nogle specielle felter og egenskaber ved rummet (f.eks. "torsion"), samt påstanden om, at i unipolar er der ingen tilbage-EMK i generatorer , som modsætter sig rotation, når strømmen er lukket gennem belastningen.

Der er også design af "unipolære generatorer" og motorer, hvis forfattere reklamerer for en enorm gevinst sammenlignet med traditionelle elektriske maskiner.

Den bogstavelige ("unipolære") forståelse af udtrykket "unipolær" (homopolær) forkert anvendt på denne klasse af enheder er også overdrevet. Faktisk burde disse enheder mere korrekt kaldes "ensartede magnetfelt, jævnstrøm og ikke-switchede rotorforbindelsesanordninger", da andre elektriske maskiner bruger både/eller et uensartet magnetfelt og/eller vekselstrøm og/eller koblingsdele af rotorviklingen.

Yderligere vanskeligheder med at forklare driften af unipolære elektriske maskiner er forårsaget af ideen om bevægelsen af ladningsbærere, elektroner, især udtrykket "hastighed". For det første opstår spørgsmålet med det samme om hastigheden i forhold til det, vi overvejer i denne sag. For det andet kan en uopmærksom entusiasts fortrolighed med den særlige relativitetsteori føre ham til forvirrende jonglering med begreberne "observatør", "hastighed" og lignende.

Se også

Unipolær induktion
På grund af reversibilitetsprincippet for elektriske maskiner er en unipolær elmotor også mulig .

Noter

↑ L.A. Sukhanov, R.Kh. Safiullina, Yu.A. Bobkov. Redigeret af L.A. Sukhanov. "Elektriske unipolære maskiner." Moskva: VNIEM, 1964, 137 s. 23
↑ The Big Machine Arkiveret 17. maj 2013 på Wayback Machine . (Engelsk)