Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Мастер-класс: специфика преподавания классического танца в детском хореографическом коллективе (на базе творческой лаборатории кафедры хореографии «Об...полностью>>
'Документ'
Мета: навчальної дисципліни “Географія світового господарства” є формування сучасного суспільно-географічного мислення та системи спеціальних знань з...полностью>>
'Статья'
Статья посвящена проблеме развития творческих способностей студентов музыкально-педагогических колледжей. В рамках курса гармонии метод музыкального ...полностью>>
'Решение'
1. Внести изменения в прогнозный план (программу) приватизации муниципального имущества Троицкого муниципального района на 2011год, утвержденный реше...полностью>>

Ивченков Геннадий, к т. н

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Варианты объяснения особенностей наведения ЭДС в униполярном генераторе

Как было сказано выше, ЭДС в униполярном генераторе наводится при следующих условиях:

  1. При вращении диска относительно неподвижного магнита,

  2. При вращении диска вместе с магнитом.

ЭДС не наводится:

  1. При вращении магнита относительно неподвижного диска.

Эти варианты были экспериментально проверены автором данной статьи. В частности, была испытана модель бесстаторного «униполярного генератора» (второй вариант). Ротор генератора представлял собой поляризованный по оси кольцевой NdFeB магнит с размерами 65х20х10 мм и Br = 1.2 Тл. Магнит был покрыт тонким слоем никеля, являющегося в данном случае проводящим диском. При скорости вращения ротора в 1000 об/мин постоянное напряжение, измеренное между осью (проводник 1) и краем магнита (проводник 2) составило 25 мВ.

Анализ этих вариантов показывает, что первый случай не вызывает вопросов, в то время как второй и третий случаи – парадоксальные и должны быть объяснены.

В ряде работ, например [2] и [10], приводится компенсационное объяснение этого парадокса. Авторы рассматривают как внутренний, так и внешний контур униполярного генератора (см. Рис. 8). Также считается, что поле движется с магнитом (первая гипотеза). Это объяснение проиллюстрировано на Рис. 9.

Рис. 10

  • В случае вращающегося диска и неподвижного магнита (случай а, Рис 10), ЭДС наводится в диске (проводник ОС), а во внешнем неподвижном контуре (проводник OADC) ЭДС не наводится.

  • В случае неподвижного диска и вращающегося магнита (случай b, Рис 10), наводится одинаковая, но противоположно направленная ЭДС в диске (проводник ОС) и проводнике AD внешнего контура.

  • В случае магнита и диска, вращающихся с разными скоростями (случай с, Рис 10), вращение магнита относительно внешнего проводника AD наводит в нем ЭДС, в то время как ЭДС наведенная в диске зависит от относительной скорости вращния диска и магнита и, в предельном случае, когда диск вращается вместе с магнитом, ЭДС, наводимая в диске, равна нулю.

Этот же парадокс также может быть объяснен и с позиции неподвижного магнитного поля. В этом случае предпологается, что магнит вращается, а поле неподвижно (вторая гипотеза). Кстати, эта гипотеза была предложена еще Фарадем в процессе исследования униполярного генератора. Тогда в проводнике AD внешнего контура не наводится ЭДС во всех случаях. ЭДС наводится только в диске в случае его вращения, и эта ЭДС совершенно не зависит от того, движется ли магнит или нет. Это объсняет случаи а) и b).

Таким образом, существуют два равноценных объяснения и, следовательно, эксперименты с униполярным генератором не дают окончательного ответа, какая из предложенных гипотез правильная.

1.2.2 Униполярный мотор

Конструкция униполярного мотора такая же, как у униполярного генератора (см. Рис. 9), только в данном случае к щеткам прикладывается напряжение и, соответственно, в диске ОС и проводниках OADC течет ток.

Униполярный мотор развивает крутящий момент в случаях, когда:

  • Магнит закреплен, диск может вращаться. При подаче на диск тока, диск вращается.

  • Диск закреплен на магните. Диск с закрепленным магнитом может вращаться. При подаче тока на диск, он вращается вместе с магнитом.

Униполярный мотор не создает крутящий момент в случае, когда::

  • Диск закреплен, магнит может вращаться. При прохождении тока, магнит не вращается.

Эти варианты были экспериментально проверены автором данной статьи. В частности, был испытан униполярный мотор, содержащий только ротор с тем же магнитом (NdFeB, 65х20х10 с Br = 1.2 Тл), подвешенный на проволоке, выполняющей роль торсиона. Магнит был покрыт тонким слоем никеля, который в данном случае выполнял функцию проводящего диска.

При подаче тока через скользящий по середине цилиндрической никелированной поверхности магнита контакт был отчетливо зарегистрирован поворот ротора, что свидетельствует об обратимости униполярного генератора, состоящего из одного ротора. При токе в 1.3 А был измерен момент в 1.14 гс см.

Таким образом, униполярный мотор создает крутящий момент в тех же случаях, когда униполярный генератор вырабатывает ЭДС.

Также, как и в случае униполярного генератора, первый случай не вызывает вопросов. Диск, являющийся набором радиальных проводников, движется (вращается) в поле магнита согласно закону Ампера (Рис. 11а).

Рис. 11

Второй и третий случаи не являются тревиальными и требуют отдельного рассмотрения.

В третьем случае магнитное поле, создаваемое током i, текущим в радиальном проводнике (диске) взаимодействует с «эквивалентным током» Ioc, текущим в осях циркуляции кольцевого магнита (Рис. 11b). Силы FL и Fr, создаваемые этим взаимодействием (силы Ампера) направлены перпендикулярно проводнику, которым в данном случае является ось циркуляции, то есть по радиусу и проходят через центр массы. Очевидно, что такие силы не создает крутящего момента, а только сжимают или растягивают магнит. В то же время, в первом случае, эта сила F приложена перпендикулярно к радиальному проводнику, то есть направлена по окружности, что и создает крутящий момент. Из этого следуют два важных вывода:

Данный случай дополнительно подтверждает тот факт, что сила всегда направлена перпендикулярно вектору скорости заряда, который в случае проводника с током совпадает с направлением тока, текщего в проводнике. Это подтверждение является особенно актуальным сейчас, когда в ряде теоретических работ, например [10], [20], авторы пытаются найти некую составляющую силы, параллельную вектору скорости.

Кроме того, если данная электромашина используется как генератор, то в контуре ADCO (Рис. 10) течет ток нагрузки, котрый, опять же, взаимодействует с магнитным полем, создаваемым магнитом, то есть с «эквивалентным током» текущим в осях циркуляции кольцевого магнита. Как было показано выше, это взаимодействие не создает крутящего момента, то есть к статору униполярного генератора (магниту) не приложен крутящий момент. В то же время, нагрузочный ток i, текущий в диске, тормозит его в соответствии с законом Ампера (Рис. 11с). Это значит, что, все равно, устройство, создающее крутящий момент (например, двигатель, турбина и т.п.), которое вращает диск, должно преодолевать сопротивление, вызванное нагрузочным током. Это, также, означает, что униполярный генератор не является «вечным двигателем», но, в то же время, между ротором и статором не происходит никакого обмена моментами и, соответственно, энергией.

Второй случай, когда диск закреплен на магните, не может быть объяснен компенсацией, как в случае униполярного генератора. Согласно логике, изложенной в «компенсационном объяснении» подобного случая для униполярного генератора, сила (и индукция) не может быть приложена к диску, так как относительное движение диска и поля отсутствует. Все «компенсирующие эффекты» должны прояляться во внешнем контуре. Но, совершенно очевидно, что щетки не могут создавать крутящий момент и толкать диск, они могут только тормозить его за счет трения. Таким образом, «компенсационный вариант» объяснения этого парадокса не проходит. Остается только предположить, что магнитное поле не движется вместе с магнитом. То есть рассмотренный случай является прямым подтверждением второй гипотезы – гипотезы неподвижного магнитного поля. Кроме того, и третий случай может быть обяснен с позиции этой гипотезы.

Надо отметить, что эта гипотеза объясняет и механизм работы магнитных подшипников.

Приведенный вывод – достаточно серьезный и проливает свет на истинную природу магнитного поля. Это означает, что движение одного носителя однородного магнитного поля относительно другого не сопровождается передачей тангенциальных сил; то есть такое движение не сопровождается трением. Следовательно, вращения или движения однородного магнитного поля не существует и оно не может быть зарегисирировано никакими приборами. Носитель однородного поля может двигаться (вращаться), а поле при этом остается неподвижным. Движение носителя магнитного поля проявляется только в том случае, когда поле имеет неоднородности. И в этом случае, магнитное поле не вращается, а то, что называют «вращением поля», является, по сути неким подобием «бегущих огней», которые никуда не бегут. Применимо к вращающимся магнитам, это значит, что, если магнитное поле однородно по окружности, то такие кольцевые (цилиндрические) магниты могут вращаться относительно друг друга без обмена моментами (без трения). Это, кстати, хорошо известно специалистам, работающим с магнитными подшипниками.

Несколько дополнительных замечаний по поводу униполярного генератора

Ниже приведены особенности работы униполярного генератора и мотора, которые необходимо учитывать при работе с ними:

  • В диске униполярного генератора не наводятся круговые токи (аналогичные токам Фуко), потому, что потенциалы точек, расположенных на равных расстояниях от оси диска равны. Следовательно, в любом контуре на диске, ЭДС, наводимые в его проводниках, взаимно компенсируются, суммарноая ЭДС равна нулю и ток в контуре не течет. В частности, вольтметр, установленный на диске (вращающийся вместе с диском) и подсоединенный к оси и краю диска не может измерить ЭДС, вырабатываемую генератором, так как эта ЭДС полностью компенсируется ЭДС, наводимой в соединительных проводниках.

  • Источник тока, установленный на диске и подсоединенный к оси и краю диска не может вращать диск, так как в данном случае силы, приложенные к диску и соединительным проводникам взаимно компенсируются.

Эти особенности вытекают из принципа работы униполярных машин. Они могут показаться тревиальными, но в ряде публикаций авторы их не учитывают и, в результате, делают неверные выводы. Например, считается, что ЭДС не наводится в высотных металлических конструкциях (башнях), так как они вращаются вместе с магнитным полем Земли. Но, любой измерительный прибор имеет соединительные проводники, подсоединненные в данном случае к основанию и верхушке башни, в которых и наводится встречная ЭДС. В результате чего измеренная величина равна нулю. Измеряеть же разность потенциалов между верхушкой башни и окружающим воздухом – совешенно некорректно, так как разность потенциалов за счет вертикального градиента электрического потенциала в атмосфере намного превосходит возможные электродинамические наводки..

Кроме того, эти особенности работы униполярных машин не позволяют сделать их обмотку многовитковой, так как ЭДС в каждом витке ротра (виток вращается вместе с ротором) взаимно компенсируется. Единственным местом на роторе, где не наводится ЭДС является ось. Это позволяет удвоить напряжение, вырабатываемое генератором. Схема такого генератора приведена на Рис. 12. Эта конструкция была разработана и испытана автором данной статьи.

Рис. 12

В ней два кольцевых магнита расположены одноименными полюсами друг к другу. Два проводящих диска закреплены на проводящей оси и вращаются относительно неподвижных магнитов. При этом напряжение, вырабатываемое в верхнем диске складывается с напряжением, вырабатываемым в нижнем диске, то есть удваивается. Диски могут быть жестко закреплены на магнитах, при этом вся эта конструкция вращается вокруг оси. Напряжение вырабатываемое этим генератором будет таким же, как у первого варианта генератора.

1.3 Механизмы наведения ЭДС и силового взамодействияв электромагнетизме

В этом разделе автор сделал попытку систематизировать известные данные о механизмамах наведения ЭДС и силового взамодействия магнитных полей.

Этих механизмов известно два – фарадеев и лоренцев.

При этом, надо обратить внимание, что исторически, фарадеев механизм был открыт и исследован на 50 лет раньше лоренцева. В то же врема, такие проявления лоренцева механизма, как сила Ампера и феномен наведения ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле, были известны задолго до появления работ Лоренца и, для некоторыз их них были предприняты попытки их интерпретации с позиции фарадеева механизма. Более того, фундаментальная система уравнений Максвелла была также выведена до открытия лоренцева механизиа. Очевидно, что в таком случае появляется возможность ошибочной интерпретации некотрых явлений в электромагнетизме, искажение их физической сущности и, как результат, использвания некорректных формул для их описания.

Тем не менее, следуя современным знаниям в области электромагенетизма (вобще-то сформировавшимся 100 лет назад) и достаточно проверенным практикой, выходит, что эти механизмы существенно отличаются.

В частности:

  • Фарадеев механизм – это статический механизм не связанный с движением проводника и поля (если только при движении носителя поля не меняется его напряженность – но и в этом случае это также статика).

  • Лоренцев – чисто динамический – движение проводника (электрических зарядов) в магнитном поле. Но какое движение – абсолютное или относительное? Если – относительное, то движение носителя поля относительно проводника и движение проводника относительно носителя поля – это одно и то же? Как было сказано выше, согласно современным представлениям (принятым, кстати, по умолчанию, прямых указаний в литературе на это нет - вроде как само собой разумеется) - это одно и тоже.

Один из поднятых вопросов, по видимому, получил свое разрешение. Как было убедительно доказано выше на примере униполярного мотора, движение носителя магнитного поля не сопровождается движением поля.

Кроме того:

  • Лоренцев механизм вызывает силовое взаимодействие заряда с полем (сила Лоренца, приложенная к заряду и сила Ампера, приложенная к потоку зарядов, текущих в проводнике) и, также, наводит ЭДС в движущемся проводнике (благодаря той же силе Лоренца).

  • Фарадеев механизм ответственнен за наведение ЭДС, вызванное изменением напряженности магнитного поля и никак не связан с движением. Он не описывает силовое взаимодействие, и сила Ампера никак не может быть объяснена с позиции фарадеева механизма.

Кроме того:

  • Оба механизма могут быть разделены, то есть, в одном случае может работать только фарадеев механизм (трансформатор), в другом – только лоренцев (униполярные машины).

  • Если каждый из этих механизмов наводит ЭДС и создает силу, то для каждого из них должны существовать свои законы и формулы описывающие как наведение ЭДС, так и создание силы.

  • Формула Фарадея является интегральной и применима только для замкнутых контуров, при этом учитывается только магнитный поток, пересекающий плоскость контура и ограниченный этим контуром. Это вписывается в официально принятую трактовку электромагнетизма, единственно трактующего магнитное поле как результат круговых токов – циркуляции электрических зарядов, происходящих на макро и микро уровнях. В то же время, результаты проведенных в данной работе экспериментов дают достаточные основания предположить, что механизм Фарадея должен быть также применен к отдельным проводникам, образующим контур.

  • Лоренцев же механизм не связан с замкнутым контуром и работает для каждого отдельного элемента проводника (заряда). При этом лоренцев механизм позволяет обьяснить (и рассчитать) как наведенную ЭДС, так и возникающию при этом силу.

  • Закон Ампера («правило левой руки») является очевидным проявлением лоренцевой силы и не имеет никакого отношения к фарадееву механизму.

Следовательно, для случая фарадеева механизма, отсутствуют:

  • Принцип и формулы, описывающие наведение ЭДС в отдельных проводниках, образующих контур.

  • Принцип и формулы, описывающие силовое взаимодействие источников переменных статических магнитных полей (исключая формулы, основанные на законе сохранения, которые не раскрывают физического смысла взаимодействия).

При этом возникает вопрос, а может быть фарадеев механизм вобще не вызывает силового взаимодействия? Если проанализировать случаи силового взаимодействия токов с полем, то все они обусловлены лоренцевыим силами. Например, ток, текущий в катушке трансформатора вызван изменением напряженности магнитного поля во времени (фарадеев механизм). Он создает поле, которое взаимодействует с током, текущим в другом элементе катушки, вызывая возникновение силы Ампера, которая является очевидным проявлением силы Лоренца (кстати, катушка с током всегда растянута по радиусу).

1.3.1 Магнитные заряды, сила Ампера, индуцирование ЭДС в движущимся проводнике

За 180 лет существования электромагнетизма накопилось значительное количество общепринятых стереотипов – часть из которых является ложными и неврными в принципе, но на основе которых выведены формулы и которые кочуют из учебника в учебник, совершенно искажая физическую сущность магнитного поля. Для их выявления достаточно проанализировать известные основные законы электромагнетизма.

1.3.1.1 Сила Ампера. Магнитные заряды.

Как уже отмечалось, закон Ампера был открыт задолго до открытия механизма Лоренца. Легко показать, что он являентся следствием механизма Лоренца.

Закон Ампера:

где

тогда, - закон Лоренца.

Очевидно, что параметер [Кл. м/сек] является полным аналогом «элемента тока» [Кл/сек. м]. Физический механизм здесь очевиден: проводник принудительно ориентирует движение электронов, отсюда и появился «вектор» . Кроме того, параметер может быть назван магнитным зарядом. Таким образом, электрический заряд q превращается при движении в магнитный заряд , сохраняя свои свойства электрического заряда (по крайней мере при ). Знак магнитного заряда зависит от направления вектора и знака электрического заряда. Кроме того, «магнитный заряд», в отличии от электрического не должен квантоваться, так как не существует кванта скорости V (хотя в справочниках и фигурирует «квант магнитного потока» ).

Позвольте, скажут, но ведь силовые магнитные линии замкнуты. Согласно теореме Гаусса , что говорит об отсутствии магнитных зарядов!

1.3.1.2 «Магнитные силовые линии»

Понятие «магнитные силовые линии» является одним из заблуждений, нанесшим огромный вред теории элетромагнетизма. Ранние исследователи электромагнетизма были зачарованы железными опилками, выстраивавшимися в магнитном поле в некие узоры. Почему они так выстраиваются, сейчас очевидно даже школьнику! В поле опилки превращались в игольчатые магниты (как стрелка компаса), к которым прикладывалась пара сил, поворачивая их до совмещения оси опилка с направлением вектора - касательной к безградиентной поверхности с B = const. Совершенно очевидно, что то, что называется «магнитными силовыми линиями» является изолиниями напряженности магнитного поля В, линиями, лежащими на поверхности с B = const.! Настоящие силовые линии перпендикулярны этим «магнитным силовым линиям». Для случая двух бесконечных проводников с током, текущим в противоположном направлении, они соединяют зти два проводника совершенно также, как силовые линии электростатического поля, то есть имеют исток и сток. Приложение же теоремы Гаусса к изолиниям совершенно абсурдно. Изолинии, конечно же, замкнуты. Если применить теорему Гаусса к изолиниям электростатического поля (считая их «силовыми линиями»), то получится, что электрических зарядов нет! В то же время, теорему Гаусса применяют (и совершенно правильно) для токов смещения , совпадающих по направлению с реальными электростатическими силовыми линиями (вектор )! Этот подход, как известно, был использован при выводе уравнений Максвелла. И, после этого, специалисты, работающие в этой области, удивляются, что система уравнений Максвелла не работает в ряде конкретных случаев.

Сказанное здесь является совершенно очевидным, но эти «магнитные силовые линии» вместе с вектором успели проникнуть во все уравнения электромагнетизма совершенно исказив физический смысл явлений. Так магнитное поле стало «вихревым».

Что такое – вектор ? Векторным элементом здесь является - нормаль к плоскости силового взаимодействия, на которой лежит вектор . Движущийся заряд создает «плоскости взаимодействия» - бесконечное количество плоскостей, в которых лежит вектор скорости движения заряда (см. Рис. 12А ниже по тексту). Если в пространстве находитися заряд , движущийся со скоростью , то он взаимодействует с магнитным полем, созданным первым зарядом. Таким образом, вектор скорости первого заряда и точка в пространстве, где расположен второй заряд полностью определяют эту плоскость – плоскость силового взаимодействия, что, вобщем-то, позволяет отказаться от векторной составляющей «вектора» . Таким образом, «вектор» является, вобще-то, математическим формализмом.

В то же время надо отметить, что «магнитные силовые линии», являющиеся на самом деле изолиниями, графически довольно неплохо и наглядно представляют магнитное поле (как любые изолинии). Такая графическая интерпретация поля широко используется в современной электротехнике и, в некоторых случаях, является удобной. Автор не призывыает полность отказаться от такого представления поля, но необходимо однозначно понимать, что это такое и полностью отдавать себе отчет, что не существует такого физического понятия, как «поток изолиний». В магнитном поле ничего никуда не течет и нет никаких «вихрей»!

1.3.1.3 Индуцирование ЭДС в движущимся проводнике

Как было сказано выше, феномен наведения ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле был открыт раньше, чем была открыта сила Лоренца. Для объяснения этого эффекта был привлечен тогда уже известный фарадеев механизм. Схема этого объяснения здесь не приводится, так как она всем известна – кочует из учебника в учебник. Согласно этому объяснению, за движущемся проводником тянется некий контур, площадь которого расширяется при неизменном В.

.

Условность такого подхода очевидна: с какой это стати за движущимся проводником должен тянуться некий «контур»? Кроме того, в этом случае не имеет никакого отношения к электромагнетизму, а, фактически, является линейной скоростью движения отрезка , так же, как, например, является линейной скоростью движения поверхности S.

Физический же механизм этого явления ясен: при движении проводника свободные заряды в нем смещаются вдоль него под действием силы Лоренца.

, при этом сила направлена вдоль проводника .

Так как , то .

Таким образом, совпадение формул, полученных а первом и втором случаях является чисто формальным, а правильным является вывод, основанный на формуле Лоренца. Это значит, что фарадеев механизм в этом случае не участвует.

Примерно такой же вывод приведен в школьном справочнике по физике под редакцией Кабакова.

Автор извиняется перед читателями за повторение, казалось бы, очевидных вещей, но вопрос здесь стоит принципиальный. Некоторые авторы (например, авторы работы [10]) до сих пор считают, что эти выводы равнозначны, а это значит, что эти два механизма наведения ЭДС – фарадеев и лоренцев – это один и то же механизм, только лоренцев является «зарядным» подходом, а фарадеев – «полевым». О том, что эта позиция является неправильной дополнительно свидетельствует тот факт, что наведение фарадеевой ЭДС в неподвижном контуре при изменяющейся во времени напряженности магнитного поля () никак не может быть объяснено с позиции лоренцева механизма, а фарадеев механизм не может объяснить силу Ампера.

Физический же смысл фарадеева механизма частично раскрывает принцип Ленца. Согласно этому принципу магнитное поле имеет «инерцию» и стремится сохранить исходное состояние. Это качественно объясняет самоиндукцию и взаимоиндукцию как проявления фарадеева механизма.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Геннадий Дмитриевич Бердышев Теория и практика голодания ради здоровья и долголетия Киев

    Документ
    Питание является одним из основных факторов внешней среды, оказывающих влияние на состояние здоровья, работоспособность, на физическое и умственное развитие человека и его потомства.
  2. Геннадий Ивченков

    Документ
    Проведен анализ возможности измерения движения прибора относительно неподвижного эфира с помощью интерферометра Майкельсона. Анализ, выполненый на основе волновой модели, показал, что хотя движение прибора и вызывает поворот волнового
  3. Токи смещения в металлах, диэдектриках и в вакууме Геннадий Ивченков

    Документ
    Проанализирован нестационарный режим работы униполярного генератора. Показано, что в этом случае в незамкнутом проводнике текут токи, которые вызваны изменением потенциала на концах проводников.
  4. Красноярский край (1)

    Документ
    ВАСИЛЬЕВИЧ БОЖЕНОВА ПАТРУШЕВА ВЕРА ТЕРЕНТЬЕВНА АБРАМОВИЧ ГАЛИНА АВГУСТАНОВНА АЗАРОВА Е Ю МИХАЙЛОВ В В РАССКАЗОВ С Д АРДАСОВА НАТАЛЬЯ ФЕДОРОВНА БАЖЕНОВА АЛЕКСАНДРА ГЕОРГИЕВНА ГЕРАСЬКОВА МАРГАРИТА ВАСИЛЬЕВНА СИДОРЧУК НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ВОЙТЮКЕВИЧ
  5. Справочнометодическое пособие по истории киноискусства часть II

    Учебно-методическое пособие
    Начиная с конца 19-го века, в России происходило повсеместное главенствование иностранных (преимущественно французских) фирм. В 1907 году появляется первое кинематографическое ателье Александра Осиповича Дранкова, которым была произведена

Другие похожие документы..