Что такое униполярный мотор

Предлагаются учебные экспериментальные исследования униполярных электродвигателей. Подробно описаны конструкции приборов и технологии их изготовления. Внимание читателя обращается на богатейшую информацию о моделях униполярных двигателей в интернете. Статья написана так, что её можно непосредственно рекомендовать учащимся для изучения и последующего планирования исследовательского проекта. При необходимости учитель может давать школьникам отдельные задания, используя для их формулировки соответствующие фрагменты статьи.

В школе изучают коллекторный электродвигатель постоянного тока. Он состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и коллектора, обеспечивающего питание двигателя электрическим током. В качестве статора используют двухполюсный постоянный магнит или электромагнит. Ротор представляет собой электромагнит, ток на который подаётся через полукольца и щётки, образующие коллектор. Однако первый электродвигатель, созданный в 1821 г. великим Фарадеем, был униполярным: в нём использовался только один полюс магнита, коллектор вообще отсутствовал. Экспериментальным исследованиям униполярных электродвигателей и посвящена настоящая статья.

1. Униполярный электродвигатель

Рис. 1. Демонстрационный униполярный электродвигатель

Известно немало различных конструкций униполярных электродвигателей. Один из приборов, применявшихся для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя, изображён на рис. 1. В нём вокруг северного полюса постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2. Середина рамки соединена с остриём, которое погружено в чашечку со ртутью 3, концы рамки опущены в кольцевой сосуд с ртутью 4.

Электрический ток от правой клеммы проходит через центральную металлическую стойку, ртутный контакт 3, ветви рамки 2, кольцевой сосуд с ртутью 4 и боковую металлическую стойку к левой клемме. Воспользовавшись правилом левой руки, нетрудно сообразить, что для указанных на рисунке положения северного магнитного полюса и направления тока на рамку действует пара сил, заставляющая её вращаться в направлении, показанном стрелками.

2. Обсуждение конструкции униполярного двигателя

Рассмотренную модель униполярного двигателя в настоящее время нельзя использовать для воспроизведения в школе или дома. Дело не только в том, что она конструктивно сложна. Главная причина в том, что пары ртути ядовиты, поэтому применение ртути в учебных опытах неприемлемо.

Ртуть в описанных приборах выполняет две функции. Во-первых, обладая хорошей проводимостью, ртуть обеспечивает надёжный электрический контакт с небольшим электрическим сопротивлением между подвижными и неподвижными проводниками. Во-вторых, являясь при комнатной температуре жидкостью, создаёт сравнительно небольшое механическое сопротивление движущимся в ней проводникам.

Отсюда следует, что для создания пригодного для учебных опытов прибора нужно решить проблему хорошего контакта и малого сопротивления между движущимися проводниками.

Сразу приходит в голову идея использовать в кольцевом сосуде вместо ртути доступный электролит, например, водный раствор медного купороса. А как быть со ртутным контактом 3? Нужно, чтобы сила трения, возникающая при вращении рамки на острие, была мала, а контакт тем не менее был надёжным.

Нетрудно сообразить, что этим противоречивым требованиям может удовлетворить магнитный контакт, состоящий из постоянного стального магнита и примагниченного к его полюсу стального острия.

3. Учебная модель униполярного двигателя

Рис. 2. Основные элементы учебной модели униполярного двигателя

Для изготовления учебной модели униполярного двигателя придётся немного потрудиться. Все элементы, необходимые для сборки модели и выполнения экспериментального исследования, изображены на рис. 2.

Из медной проволоки диаметром около 1 мм согните П-образную рамку размером примерно 80 × 200 мм. Середину рамки и концы медной проволоки очистите от изоляции. От стального гвоздя диаметром 3–4 мм отрежьте кусок длиной 2–3 см и хорошо заострите один его конец. Получившийся стальной сердечник припаяйте к середине рамки из медной проволоки и подвесьте его к полюсу зажатого в штативной лапке стального полосового или подковообразного магнита. К другому полюсу магнита примагнитьте стальную шайбу с прикрученным к ней многожильным медным проводом в полихлорвиниловой изоляции. Толкните рамку, и вы увидите, как легко она колеблется и крутится на магнитном подвесе.

Подберите цилиндрический пластиковый сосуд диаметром примерно 110 мм и глубиной 40 мм. В центре дна сосуда сделайте круглое отверстие и посредством резинового колечка герметично закрепите в нём медный электрод диаметром 4–6 мм. Вместо медного можно использовать угольный электрод, в качестве которого подойдёт анод одного из элементов батареи карманного фонаря. С частью электрода, выступающей из дна сосуда вниз, соедините многожильный медный провод в изоляции. Сосуд установите на кольцевой керамический магнит диаметром 80 мм от старого динамика.

Статья подготовлена при поддержке салона свадебной и вечерней моды «моя Леди». Если Вы решили приобрести качественный и надежный костюм или платье, то оптимальным решением станет обратиться в салон «моя Леди». На сайте, расположенном по адресу www.salonmylady.ru, вы сможете, не отходя от экрана монитора, заказать офисные платья и костюмы по выгодной цене. Более подробную информацию о ценах и акциях действующих на данный момент вы сможете найти на сайте www.salonmylady.ru.

Рис. 3. Учебная модель униполярного двигателя в работе

Из пенопласта или другого материала малой плотности сделайте диск с отверстием в центре так, чтобы он мог свободно плавать на поверхности жидкости вокруг угольного электрода. Возьмите также две батарейки карманного фонаря на 4,5 В и соедините их последовательно. В стакане воды приготовьте насыщенный раствор медного купороса. Теперь всё готово для эксперимента.

В стоящий на магните пластиковый сосуд налейте раствор медного купороса. Над сосудом в магнитном держателе подвесьте проволочную рамку так, чтобы её оголенные концы погрузились в электролит. Провода, идущие от магнитного держателя и от угольного электрода, соедините с полюсами одной батарейки так, чтобы на прибор было подано напряжение 4,5 В. Если всё сделано правильно, вы увидите, что рамка начинает медленно вращаться вокруг своей оси!

Увеличьте напряжение – рамка начнёт крутиться значительно быстрее. Понятно, что если у вас под руками имеется источник, дающий большее напряжение, вы можете ещё увеличить скорость вращения ротора своего униполярного двигателя. Смените полярность напряжения – и рамка начнёт крутиться в противоположную сторону.

Посмотрите в сосуд с жидкостью: вы видите, что электролит также вращается, но в сторону, противоположную вращению рамки. Чтобы лучше продемонстрировать это явление, поместите на поверхность электролита плавающий диск: он будет крутиться в одну сторону, а рамка – в противоположную (рис. 3)!

4. Современные постоянные магниты

Успех построенной вами модели униполярного электродвигателя в значительной мере обеспечен мощным магнитным полем, создаваемым кольцевым керамическим магнитом. Основой этого магнита является феррит – керамический ферромагнитный материал, получивший широкое распространение около полувека назад.

Рис. 4. Внешний вид неодимовых магнитов

Однако за прошедшие после создания ферритовых магнитов десятилетия техника шагнула далеко вперёд. Современные неодимовые магниты, которые изготавливаются из сплава редкоземельного металла неодима c железом и бором (NdFeB), не идут ни в какое сравнение с керамическими. Они обладают огромной остаточной магнитной индукцией и весьма значительной коэрцитивной силой. Кроме того, поверхности этих магнитов покрыты защитным проводящим слоем. Сфера применения неодимовых магнитов настолько обширна, что легче указать те области, в которых эти магниты пока не используются.

Неодимовые магниты небольших размеров (рис. 4) вполне доступны по цене, и нет ничего проще, как приобрести их в интернет-магазине. Будем считать, что в вашем распоряжении имеется несколько неодимовых магнитов с продольной поляризацией в виде никелированных дисков или шайб диаметром 8–19 мм и толщиной 2–8 мм. На всякий случай напомним, что небольшие неодимовые магниты цилиндрической формы можно извлечь из вышедших из строя миниатюрных динамиков, телефонов и другой электронной техники.

5. Современные модели униполярного двигателя

Теперь приступим к созданию неодимового аналога двигателей, изображённых на рис. 1, 3.

Рис. 5. Униполярный двигатель с неодимовыми магнитами: а – верхний контакт отсутствует, т.к. на катоде элемента лежит изолирующая прокладка; б – прокладка убрана, двигатель работает

К положительному полюсу гальванического элемента 1 примагнитьте один или несколько неодимовых магнитов 2 (рис. 5, a). Из медной проволоки диаметром около 1 мм согните рамку 3, форма которой понятна из фотографии. Очистите от изоляции середину и концы рамки. Установите середину рамки на отрицательный полюс элемента так, чтобы её концы слегка касались боковой поверхности магнита. Как только вам удастся уравновесить рамку и обеспечить такой электрический контакт, что по ней пойдёт ток, рамка начнёт вращаться вокруг оси гальванического элемента (рис. 5, б)!

Чтобы вращение было заметно издали, к рамке можно приклеить полоски разноцветной изоленты.

6. Впечатляющая демонстрация униполярного двигателя

Размышляя об униполярном двигателе, мы пришли к выводу, что было бы интересно разработать такую конструкцию, которая обеспечивает вращение массивного ротора. Но такой ротор нужно ещё сделать. А что, если вместо металлического ротора использовать массивные гальванические элементы?

Рис. 6. Демонстрационный униполярный двигатель с массивным ротором

На рис. 6, а показано, к чему привели мысли о мощном униполярном двигателе. Демонстрационную модель униполярного двигателя соберите так. В муфте универсального штатива горизонтально закрепите стальной никелированный стержень 1 и к нему через стальной шарик 2 диаметром 8 мм от подшипника подвесьте неодимовый магнит 3 диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. К магниту присоедините анод гальванического элемента 4 на 1,5 В. К первому гальваническому элементу посредством такого же неодимового магнита 5 присоедините второй элемент 6 так, чтобы оба элемента были включены последовательно. На катод второго элемента навесьте 2–3 неодимовых магнита 7 диаметром 19 мм и толщиной 6 мм. С помощью стальной шайбы на магнитах закрепите изогнутую из толстой бумаги П-образную полоску 8, служащую индикатором вращения. На стержне 1 изолентой закрепите оголённый конец многожильного провода 9 в полихлорвиниловой изоляции, скрученного в спираль для придания ему упругих свойств.

Второй оголённый конец многожильного провода приведите в соприкосновение с боковой поверхностью неодимовых магнитов, висящих на последнем элементе. При этом батарея из последовательно соединённых элементов приходит в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 6, б)!

На зрителей опыт производит сильное впечатление, поскольку, на первый взгляд, отсутствует причина, заставляющая массивную батарею вращаться столь энергично. Вместо двух элементов в опыте можно использовать один, три или четыре последовательно соединённых неодимовыми магнитами гальванических элементов.

В заключение заметим, что нет физических явлений, которые не нашли бы практического применения. Из самых общих соображений вам должно быть ясно, что униполярный электродвигатель может служить и электрогенератором. В производствах, для которых нужны токи силой в сотни тысяч и даже миллионы ампер используют униполярные генераторы, подобные тем машинам, с которыми вы имели дело. Но подробности в следующий раз.

7. Для самостоятельного исследования

1. Магниты и магнитное поле. Какие бывают магниты и как их изготавливают? Что такое остаточная магнитная индукция? Что понимают под коэрцитивной силой? Чему равна магнитная энергия? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдёте на сайте www.valtar.ru/, где очень интересно и вполне доступно рассказано о современных магнитах и магнитном поле.

2. Неодимовые магниты. Узнать, какие неодимовые магниты имеются в продаже, вы сможете на сайте www.magnitos.ru.

3. Униполярные двигатели. На сайте www.youtube.com/results?search_query=homopolar+motor&search=Search имеется видеоинформация о многочисленных моделях униполярного двигателя, построенных зарубежными учёными-физиками и любителями физики. С этими моделями полезно познакомиться, если вы хотите придумать что-нибудь новенькое.

4. Направления вращения элементов униполярного двигателя. Пользуясь правилом левой руки, определите направления силы Лоренца, действующей на положительные и отрицательные ионы электролита, рис. 3. Определите направление силы Лоренца, действующей на электроны, перемещающиеся в проволочной рамке. Сопоставьте полученные выводы с результатами эксперимента.

5. Сила Ампера. Допустим, что остаточная магнитная индукция вашего неодимового магнита 1,2 Тл, его диаметр 19 мм, сила тока, проходящего по поверхности магнита, 1 А. Оцените модуль силы, приводящей во вращение ротор униполярного двигателя, рис. 6.

Видео:🌑 УНИПОЛЯРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЗА 5 секунд КРУТАЯ ИГРУШКА СВОИМИ РУКАМИ ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙСкачать

Униполярный двигатель принцип работы

Видео:Древний Диск в Форме Галактики - Униполярный Мотор Николы Тесла - Nikola Teslas Unipolar MotorСкачать

Идея Униполярной Машины заманчива, но… недостижима!

Пути технического прогресса неисповедимы. Казалось бы, уж лет сто, как окончательно и бесповоротно победил переменный ток. Но сторонники постоянного тока не унимаются. И не из-за простого упрямства. Судите сами. Двигатель переменного тока — дешевая и надежная машина. Однако не любит переменных режимов. И без них не обойтись. Например, мотору электровоза приходится изменять скорость и крутящий момент в десятки раз. Идет состав в гору — крутящий момент максимален, а скорость мала, едет по горизонтальной дороге — наоборот, скорость велика, а крутящий момент во много раз меньше.

Работать в таких условиях двигатель переменного тока просто не может. А вот двигатель постоянного тока легко с ними справляется. Но к сожалению, у него есть очень ненадежное место — коллектор и щетки. Те же, что и у моторчика от плейера. Однако плотность тока и напряжение в плейере малы, потому и не доставляют никаких хлопот.

При мощностях же 5–7 тысяч киловатт, которые нужны прокатным станам и электровозам, щетки приходится часто менять, да еще чистить и протачивать коллектор…

Возни не оберешься! Хотели бы инженеры сделать двигатель помощнее раз в десять, да не рискуют. Может случиться, что большую часть времени он будет простаивать в ремонте. Вот и задумались над проблемой: а нельзя ли построить его вообще без коллектора? Думают уже лет сто, но еще не построили.

К сожалению, все попытки создания таких агрегатов обречены на неудачу по чисто теоретическим причинам, известным еще со времен Фарадея.

Русский ученый Б.Якоби создал первый в мире электромотор, в котором действие электромагнитных сил непосредственно преобразовывалось во вращение. С ним схожи все современные. Из его схемы можно понять, что для непрерывной работы электромотора необходимо переключающее устройство. Ведь после подключения к источнику тока катушки притянутся к полюсам магнита и застынут в таком положении до тех пор, пока не будет изменено направление тока. Тогда сменится полярность магнитного поля. И они, оттолкнувшись от полюсов магнита, сделают еще пол-оборота и опять застынут в новом устойчивом положении. Словом, для работы электромотора требуется устройство, превращающее постоянный ток в переменный. Ничего лучше коллектора для этого пока не придумали.

Якоби первым обратил внимание на то, что генератор превращается в электромотор, если через него пропускать ток. Обмотки генератора постоянного тока вырабатывают ток переменный, а в постоянный он превращается при помощи коллектора. Таким образом, машины постоянного тока (моторы и генераторы) «сходны до наоборот». Но беда у них одна.

Коллектор и щетки ограничивают мощность. Были попытки создать генераторы постоянного тока без щеток, но и они оказались безрезультатными.

Дело в том, что ток в контуре возникает от изменения текущего сквозь него магнитного потока. Пусть, к примеру, магнитный поток равномерно увеличивается. Неограниченно возрастать, как и все в нашем мире, магнитный поток не может, когда-то его рост должен закончиться, не правда ли? И тогда ток в контуре прекратится. Далее возросший пусть до «космических размеров» магнитный поток начнет уменьшаться, в контуре начнет индуцироваться ток, но уже другого направления. Чтобы во внешней цепи постоянный ток не менял направления, применяют коллектор — своеобразный механический выпрямитель.

Читайте также: Режим работы мотора s1 продолжительный

Однако существуют открытые еще Фарадеем униполярные машины постоянного тока, в которых, на первый взгляд, коллектор отсутствует, хотя щеточный узел имеется. На рисунке 1 представлена схема такой машины.

Она имеет как бы один полюс, потому ее и называют униполярной, а соответствующее наведение ЭДС — униполярной индукцией. В этой машине сам диск представляет собой коллектор или коммутатор. Мысленно разрежем диск на ряд секторов. Они-то по мере вращения и вступают в контакт со щеткой и ведут себя как провод, пересекающий неподвижное (ибо магнит-то неподвижен!) магнитное поле. Возникает, как и положено, ЭДС. Поскольку направление и скорость движения секторов постоянны, то направление и величина ЭДС в них одинаковы. Так же постоянен ток в цепи униполярного генератора. Мысленно увеличивая число секторов диска до бесконечности, можно понять, почему так происходит.

Такое объяснение удобно для расчета, но в физическом отношении не полно.

Отметим еще одну принципиальную схему, которая была применена Фарадеем. Если взять вращающийся магнит (с круглым сечением) и соединить его с контуром (рис. 2) таким образом, чтобы один конец контура касался середины северного полюса, а другой — с помощью скользящего контакта магнита в нейтральной его плоскости, то в контуре будет наводиться ЭДС.

Все исходящие из магнита индукционные линии в силу симметрии находятся в плоскостях, проходящих через ось магнита. При вращении магнита вокруг своей оси число индукционных линий в контуре не увеличивается и не уменьшается независимо от того, считать ли силовые линии вращающимися вместе с магнитом или неподвижными относительно него. Поэтому, казалось бы, в контуре не должна наводиться ЭДС, но она наводится, что легко проверить прибором.

Это явление объясняется тем, что в контур вносятся все новые элементы длины. Если часть контура заменить неподвижным проводником, то действительно никакой ЭДС не наблюдалось бы. Но в контур входят части, которые постоянно по мере вращения магнита замещаются новыми элементами поверхности магнита. Именно эти элементы и пересекают индукционные линии поля, образуя ЭДС.

Униполярная индукция обратима: если в неподвижный контур включить какой-нибудь источник тока, обеспечив замыкание его через диск, то получим униполярный мотор. Так же можно заставить вращаться магнит, включив в цепь контура источник.

Униполярные машины могут быть приемлемы в техническом отношении по величине напряжения лишь при очень больших скоростях — на пределе механической крепости материала диска, подвергающегося разрывной силе.

Ввиду того, что «снимать ток» при таких больших скоростях с помощью скользящего контакта весьма трудно, да и из-за низкого КПД, униполярные машины распространения не получили. Такие машины в установках на 6 — 40 В конструировались в основном для целей электролиза. Однако нынче они не способны конкурировать с современными преобразователями.

Г. ЧЕРНИКОВ, к.т.н.

Сегодня УМ переживает вторую молодость

Какими же они представляются современникам?

На рисунке 1 приведена конструкция УМ с цилиндрическим ротором.

В принципе ротор можно сделать из меди, но предпочитают стальной. Он лучше концентрирует силовые линии магнитного поля, ЭДС получается намного выше, а машина в целом гораздо легче. Однако на такой ротор действует в осевом направлении большая сила магнитного притяжения. Поэтому и ротор, и статор делят на две части таким образом, чтобы магнитные силы были противоположны и компенсировались.

В униполярной машине и токи и поля постоянны, поэтому вихревых токов нет, потому как ротор, так и статор выполняются сплошными.

Помимо простоты производства появляется еще одно преимущество. КПД униполярной машины независимо от размеров близок к 100 %. Для сравнения отметим, что КПД генератора постоянного тока мощностью менее 500 Вт сегодня составляет 50–70 % в основном из-за потерь на вихревые токи. Но униполярная машина — это, грубо говоря, машина с обмоткой из одного витка. Потому она и дает относительно низкое напряжение — не более сотен вольт. Сила тока здесь достигает сотен тысяч ампер, и при этом он строго постоянен, практически лишен пульсаций. В этом есть свои плюсы и минусы. Плюс — в том, что можно получить ток такой силы. Минус — ток низкого напряжения невозможно передавать на большие расстояния. Потому униполярные генераторы ставятся там, где такая передача не требуется, например, электролитические производства.

Постоянный ток без пульсаций позволяет вести химические процессы с меньшей затратой энергии. На рисунке 2 — агрегат из паровой турбины и шести униполярных генераторов на ток 150 000 А и общее напряжение 400 В.

Обычные угольные щетки для снятия столь больших токов мало пригодны. В месте их соприкосновения с поверхностью ротора происходит нагревание и износ. Остроумно решил эту проблему в 1908 году профессор Б. Угримов. В его генераторе обод ротора был охвачен контактным кольцом, а между кольцом и ротором залита ртуть.

Получился жидкий контакт, который идеально соприкасается с обеими поверхностями и принципиально не может быть разрушен. В качестве ротора профессор взял диск от паровой турбины и раскрутил его другой турбиной до 8000 оборотов в минуту. Напряжение на роторе достигало 55 В. Поскольку в генераторе было два соединенных последовательно ротора, то был получен ток напряжением 110 В при мощности 120 кВт.

В те годы постоянный ток такого напряжения применялся для снабжения жилых домов. Поскольку передавать его на большие расстояния было невозможно, то часто для нескольких домов сооружали небольшие электростанции. Применение генератора Угримова обеспечивало почти двукратную экономию топлива. Но уже наступала эпоха переменного тока. И УМ были вытеснены.

Но с тех пор униполярные генераторы часто строят с жидкометаллическими контактами. Однако вместо ядовитой ртути используют сплавы калия с натрием, которые остаются жидкими до минус двенадцати градусов.

На рисунке 3 приведен разрез генератора мощностью 25 000 кВт с силой тока 550 000 А, предназначенный для производства алюминия. Ток в нем снимается с помощью калий-натриевого сплава. В корпус генератора под давлением закачан аргон.

Каковы же перспективы униполярных машин? Начнем с того, что при всех равных условиях: скорость вращения, сила тока и напряжение — УМ легче коллекторной. А при использовании жидкометаллических контактов превосходство их еще разительнее. Конечно, такие контакты неудобны. Ртуть ядовита, а сплав калия с натрием пожароопасен. Возможно, им найдут замену, например, сплавом Вуда. С таким его недостатком, как температура плавления +6°, кажется, легко примириться.

Сегодня в униполярных машинах начинают применять сверхпроводящие обмотки. Они легче, чем катушки с железным сердечником. А создаваемые ими поля во много раз сильнее. Соответственно снижаются вес и размеры.

Но сверхпроводимость пока достигается лишь при температурах жидкого азота или водорода. Ее применение оправдано лишь в двигателях и генераторах больших мощностей. Для малых же мощностей будут полезны мощные магнитные сплавы на основе редкоземельных элементов. С ними УМ значительно превзойдут обычные по простоте изготовления и КПД.

Несмотря на то что методы технического расчета униполярных машин разработаны, принцип их работы до конца не ясен. Вот пример. В случае вращения магнита вместе с ним вращаются и его силовые линии, наводя ток во внешней цепи. Но что такое силовая линия? Во всех теоретических расчетах они представляются как замкнутые линии, продолжающиеся и внутри магнита. Академик В. Миткевич полагал, что это некие замкнутые материальные образования. Но под нагрузкой поле УМ подобно полю прямого и кругового токов. Как выяснил И. Тамм, если соотношение этих токов будет выражаться иррациональным числом, то силовые линии магнитного поля такой машины перестают быть замкнутыми. Превращаются в бесконечный клубок, заполняющий все пространство. Казалось бы, пусть себе заполняет, но тогда рушатся законы электродинамики.

Униполярные машины обратимы. Генератор превращается в мотор, если по нему пропустить постоянный ток. Такие моторы известны. Как и в любом двигателе, если начать тормозить его вал, статор начинает проворачиваться.

Но попыток превращения в двигатель генератора, состоящего из одного лишь магнита, не известно. Интересно, какова у такого двигателя механическая реакция статора? Особенно если учесть, что явно выраженного статора у него нет. Создается впечатление, что униполярная индукция — это та область, в которой при помощи скромнейших средств можно и сегодня сделать фундаментальные открытия.

Для тех, кого заинтересуют эти вопросы, рекомендуем книгу: А.И. Бертинов, В.Л. Алиевский, С.Р. Троицкий. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М-Л., 1966. В книге разобраны примеры расчета УМ. Несмотря на обилие формул, она читается, как роман!

Видео:Униполярные шаговые двигатели и их переделка в биполярные. Большой обзор, переделка и подключение.Скачать

Учебные униполярные электродвигатели

Предлагаются учебные экспериментальные исследования униполярных электродвигателей. Подробно описаны конструкции приборов и технологии их изготовления. Внимание читателя обращается на богатейшую информацию о моделях униполярных двигателей в интернете. Статья написана так, что её можно непосредственно рекомендовать учащимся для изучения и последующего планирования исследовательского проекта. При необходимости учитель может давать школьникам отдельные задания, используя для их формулировки соответствующие фрагменты статьи.

В школе изучают коллекторный электродвигатель постоянного тока. Он состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и коллектора, обеспечивающего питание двигателя электрическим током. В качестве статора используют двухполюсный постоянный магнит или электромагнит. Ротор представляет собой электромагнит, ток на который подаётся через полукольца и щётки, образующие коллектор. Однако первый электродвигатель, созданный в 1821 г. великим Фарадеем, был униполярным: в нём использовался только один полюс магнита, коллектор вообще отсутствовал. Экспериментальным исследованиям униполярных электродвигателей и посвящена настоящая статья.

1. Униполярный электродвигатель

Рис. 1. Демонстрационный униполярный электродвигатель

Известно немало различных конструкций униполярных электродвигателей. Один из приборов, применявшихся для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя, изображён на рис. 1. В нём вокруг северного полюса постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2. Середина рамки соединена с остриём, которое погружено в чашечку со ртутью 3, концы рамки опущены в кольцевой сосуд с ртутью 4.

Электрический ток от правой клеммы проходит через центральную металлическую стойку, ртутный контакт 3, ветви рамки 2, кольцевой сосуд с ртутью 4 и боковую металлическую стойку к левой клемме. Воспользовавшись правилом левой руки, нетрудно сообразить, что для указанных на рисунке положения северного магнитного полюса и направления тока на рамку действует пара сил, заставляющая её вращаться в направлении, показанном стрелками.

2. Обсуждение конструкции униполярного двигателя

Рассмотренную модель униполярного двигателя в настоящее время нельзя использовать для воспроизведения в школе или дома. Дело не только в том, что она конструктивно сложна. Главная причина в том, что пары ртути ядовиты, поэтому применение ртути в учебных опытах неприемлемо.

Ртуть в описанных приборах выполняет две функции. Во-первых, обладая хорошей проводимостью, ртуть обеспечивает надёжный электрический контакт с небольшим электрическим сопротивлением между подвижными и неподвижными проводниками. Во-вторых, являясь при комнатной температуре жидкостью, создаёт сравнительно небольшое механическое сопротивление движущимся в ней проводникам.

Отсюда следует, что для создания пригодного для учебных опытов прибора нужно решить проблему хорошего контакта и малого сопротивления между движущимися проводниками.

Сразу приходит в голову идея использовать в кольцевом сосуде вместо ртути доступный электролит, например, водный раствор медного купороса. А как быть со ртутным контактом 3? Нужно, чтобы сила трения, возникающая при вращении рамки на острие, была мала, а контакт тем не менее был надёжным.

Нетрудно сообразить, что этим противоречивым требованиям может удовлетворить магнитный контакт, состоящий из постоянного стального магнита и примагниченного к его полюсу стального острия.

3. Учебная модель униполярного двигателя

Рис. 2. Основные элементы учебной модели униполярного двигателя

Для изготовления учебной модели униполярного двигателя придётся немного потрудиться. Все элементы, необходимые для сборки модели и выполнения экспериментального исследования, изображены на рис. 2.

Из медной проволоки диаметром около 1 мм согните П-образную рамку размером примерно 80 × 200 мм. Середину рамки и концы медной проволоки очистите от изоляции. От стального гвоздя диаметром 3–4 мм отрежьте кусок длиной 2–3 см и хорошо заострите один его конец. Получившийся стальной сердечник припаяйте к середине рамки из медной проволоки и подвесьте его к полюсу зажатого в штативной лапке стального полосового или подковообразного магнита. К другому полюсу магнита примагнитьте стальную шайбу с прикрученным к ней многожильным медным проводом в полихлорвиниловой изоляции. Толкните рамку, и вы увидите, как легко она колеблется и крутится на магнитном подвесе.

Подберите цилиндрический пластиковый сосуд диаметром примерно 110 мм и глубиной 40 мм. В центре дна сосуда сделайте круглое отверстие и посредством резинового колечка герметично закрепите в нём медный электрод диаметром 4–6 мм. Вместо медного можно использовать угольный электрод, в качестве которого подойдёт анод одного из элементов батареи карманного фонаря. С частью электрода, выступающей из дна сосуда вниз, соедините многожильный медный провод в изоляции. Сосуд установите на кольцевой керамический магнит диаметром 80 мм от старого динамика.

Статья подготовлена при поддержке салона свадебной и вечерней моды «моя Леди». Если Вы решили приобрести качественный и надежный костюм или платье, то оптимальным решением станет обратиться в салон «моя Леди». На сайте, расположенном по адресу www.salonmylady.ru, вы сможете, не отходя от экрана монитора, заказать офисные платья и костюмы по выгодной цене. Более подробную информацию о ценах и акциях действующих на данный момент вы сможете найти на сайте www.salonmylady.ru.

Рис. 3. Учебная модель униполярного двигателя в работе

Из пенопласта или другого материала малой плотности сделайте диск с отверстием в центре так, чтобы он мог свободно плавать на поверхности жидкости вокруг угольного электрода. Возьмите также две батарейки карманного фонаря на 4,5 В и соедините их последовательно. В стакане воды приготовьте насыщенный раствор медного купороса. Теперь всё готово для эксперимента.

В стоящий на магните пластиковый сосуд налейте раствор медного купороса. Над сосудом в магнитном держателе подвесьте проволочную рамку так, чтобы её оголенные концы погрузились в электролит. Провода, идущие от магнитного держателя и от угольного электрода, соедините с полюсами одной батарейки так, чтобы на прибор было подано напряжение 4,5 В. Если всё сделано правильно, вы увидите, что рамка начинает медленно вращаться вокруг своей оси!

Увеличьте напряжение – рамка начнёт крутиться значительно быстрее. Понятно, что если у вас под руками имеется источник, дающий большее напряжение, вы можете ещё увеличить скорость вращения ротора своего униполярного двигателя. Смените полярность напряжения – и рамка начнёт крутиться в противоположную сторону.

Читайте также: Как заказать мотор для пылесоса

Посмотрите в сосуд с жидкостью: вы видите, что электролит также вращается, но в сторону, противоположную вращению рамки. Чтобы лучше продемонстрировать это явление, поместите на поверхность электролита плавающий диск: он будет крутиться в одну сторону, а рамка – в противоположную (рис. 3)!

4. Современные постоянные магниты

Успех построенной вами модели униполярного электродвигателя в значительной мере обеспечен мощным магнитным полем, создаваемым кольцевым керамическим магнитом. Основой этого магнита является феррит – керамический ферромагнитный материал, получивший широкое распространение около полувека назад.

Рис. 4. Внешний вид неодимовых магнитов

Однако за прошедшие после создания ферритовых магнитов десятилетия техника шагнула далеко вперёд. Современные неодимовые магниты, которые изготавливаются из сплава редкоземельного металла неодима c железом и бором (NdFeB), не идут ни в какое сравнение с керамическими. Они обладают огромной остаточной магнитной индукцией и весьма значительной коэрцитивной силой. Кроме того, поверхности этих магнитов покрыты защитным проводящим слоем. Сфера применения неодимовых магнитов настолько обширна, что легче указать те области, в которых эти магниты пока не используются.

Неодимовые магниты небольших размеров (рис. 4) вполне доступны по цене, и нет ничего проще, как приобрести их в интернет-магазине. Будем считать, что в вашем распоряжении имеется несколько неодимовых магнитов с продольной поляризацией в виде никелированных дисков или шайб диаметром 8–19 мм и толщиной 2–8 мм. На всякий случай напомним, что небольшие неодимовые магниты цилиндрической формы можно извлечь из вышедших из строя миниатюрных динамиков, телефонов и другой электронной техники.

5. Современные модели униполярного двигателя

Теперь приступим к созданию неодимового аналога двигателей, изображённых на рис. 1, 3.

Рис. 5. Униполярный двигатель с неодимовыми магнитами: а – верхний контакт отсутствует, т.к. на катоде элемента лежит изолирующая прокладка; б – прокладка убрана, двигатель работает

К положительному полюсу гальванического элемента 1 примагнитьте один или несколько неодимовых магнитов 2 (рис. 5, a). Из медной проволоки диаметром около 1 мм согните рамку 3, форма которой понятна из фотографии. Очистите от изоляции середину и концы рамки. Установите середину рамки на отрицательный полюс элемента так, чтобы её концы слегка касались боковой поверхности магнита. Как только вам удастся уравновесить рамку и обеспечить такой электрический контакт, что по ней пойдёт ток, рамка начнёт вращаться вокруг оси гальванического элемента (рис. 5, б)!

Чтобы вращение было заметно издали, к рамке можно приклеить полоски разноцветной изоленты.

6. Впечатляющая демонстрация униполярного двигателя

Размышляя об униполярном двигателе, мы пришли к выводу, что было бы интересно разработать такую конструкцию, которая обеспечивает вращение массивного ротора. Но такой ротор нужно ещё сделать. А что, если вместо металлического ротора использовать массивные гальванические элементы?

Рис. 6. Демонстрационный униполярный двигатель с массивным ротором

На рис. 6, а показано, к чему привели мысли о мощном униполярном двигателе. Демонстрационную модель униполярного двигателя соберите так. В муфте универсального штатива горизонтально закрепите стальной никелированный стержень 1 и к нему через стальной шарик 2 диаметром 8 мм от подшипника подвесьте неодимовый магнит 3 диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. К магниту присоедините анод гальванического элемента 4 на 1,5 В. К первому гальваническому элементу посредством такого же неодимового магнита 5 присоедините второй элемент 6 так, чтобы оба элемента были включены последовательно. На катод второго элемента навесьте 2–3 неодимовых магнита 7 диаметром 19 мм и толщиной 6 мм. С помощью стальной шайбы на магнитах закрепите изогнутую из толстой бумаги П-образную полоску 8, служащую индикатором вращения. На стержне 1 изолентой закрепите оголённый конец многожильного провода 9 в полихлорвиниловой изоляции, скрученного в спираль для придания ему упругих свойств.

Второй оголённый конец многожильного провода приведите в соприкосновение с боковой поверхностью неодимовых магнитов, висящих на последнем элементе. При этом батарея из последовательно соединённых элементов приходит в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 6, б)!

На зрителей опыт производит сильное впечатление, поскольку, на первый взгляд, отсутствует причина, заставляющая массивную батарею вращаться столь энергично. Вместо двух элементов в опыте можно использовать один, три или четыре последовательно соединённых неодимовыми магнитами гальванических элементов.

В заключение заметим, что нет физических явлений, которые не нашли бы практического применения. Из самых общих соображений вам должно быть ясно, что униполярный электродвигатель может служить и электрогенератором. В производствах, для которых нужны токи силой в сотни тысяч и даже миллионы ампер используют униполярные генераторы, подобные тем машинам, с которыми вы имели дело. Но подробности в следующий раз.

7. Для самостоятельного исследования

1. Магниты и магнитное поле. Какие бывают магниты и как их изготавливают? Что такое остаточная магнитная индукция? Что понимают под коэрцитивной силой? Чему равна магнитная энергия? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдёте на сайте www.valtar.ru/, где очень интересно и вполне доступно рассказано о современных магнитах и магнитном поле.

2. Неодимовые магниты. Узнать, какие неодимовые магниты имеются в продаже, вы сможете на сайте www.magnitos.ru.

3. Униполярные двигатели. На сайте www.youtube.com/results?search_query=homopolar+motor&search=Search имеется видеоинформация о многочисленных моделях униполярного двигателя, построенных зарубежными учёными-физиками и любителями физики. С этими моделями полезно познакомиться, если вы хотите придумать что-нибудь новенькое.

4. Направления вращения элементов униполярного двигателя. Пользуясь правилом левой руки, определите направления силы Лоренца, действующей на положительные и отрицательные ионы электролита, рис. 3. Определите направление силы Лоренца, действующей на электроны, перемещающиеся в проволочной рамке. Сопоставьте полученные выводы с результатами эксперимента.

5. Сила Ампера. Допустим, что остаточная магнитная индукция вашего неодимового магнита 1,2 Тл, его диаметр 19 мм, сила тока, проходящего по поверхности магнита, 1 А. Оцените модуль силы, приводящей во вращение ротор униполярного двигателя, рис. 6.

Видео:Униполярный двигатель на постоянных магнитах Н. Тесла. Тест 3.Скачать

Теория Электрической Вселенной. Часть 8: Униполярные электродвигатели

Токи Биркеланда и скручивание двойных нитей тесно связаны с другой концепцией: униполярных электродвигателей (также известных как электродвигатели Фарадея). Их принцип действия базируется на силе, генерируемой благодаря взаимодействию электрического тока с магнитным полем (сила Лоренца, также известная как сила Лапласа). Таким образом, в природе два невидимых типа энергии, а именно магнитные поля и электрические токи, могут взаимодействовать между собой и генерировать довольно осязаемую механическую силу — силу Лоренца.

Сила Лоренца пропорциональна электрическому току и силе магнитного поля. Чем сильнее электрический ток и электромагнитное поле, тем сильнее результирующая сила Лоренца. По этому принципу работают униполярные электродвигатели, самая простая разновидность двигателя. Это также основной принцип, по которому работают большинство других электродвигателей.

Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, сформированной электрическим током и магнитными полями. Если вы будете держать вашу правую руку, как показано на рис. 24, тогда сила Лоренца (F) будет действовать кнаружи ладони вашей руки, если вы представите, что электрический ток (I) протекает через вашу ладонь в направлении вашего вытянутого большого пальца, в то время как магнитное поле (B) действует вверх, в направлении вашего указательного пальца.

На Рис. 25 изображён униполярный электродвигатель, состоящий из (сверху вниз) батареи, винта и магнита. Электропровод замыкает цепь и связывает верхнюю часть батареи с магнитом. Взаимодействие магнитного поля (B – фиолетовый) и силы тока (I – красный) генерирует силу Лоренца (F – зеленый), т.е. электродвижущую силу, вращающую магнит. Результирующее вращение отмечено оранжевым цветом.

Когда Биркеланд был удовлетворен тем, что электроны протекали от катода, он сдвинул рывком переключатель позади камеры и привел в действие электромагнит в террелле. В течение нескольких секунд можно было наблюдать розовое свечение, окружающее прототип Земли на экваторе. Когда Биркеланд увеличил силу магнитного поля вокруг терреллы, кольцо разделилось на 2 других кольца, которые начали двигаться в сторону полюсов. Публика затаила дыхание, когда 2 спиральных кольца фосфоресцирующего света начали парить вокруг полюсов терреллы — поистине сверхъестественное и волшебное зрелище! Несколько минут спустя, Биркеланд обесточил магнит и катод в террелле; свечение исчезло и публика снова вздохнула. [55]

Биркеланд заметил, что перед разделением разрядного кольца разряды были по большей части локализованы в экваториальных и полярных регионах электродов, как показано на рис. 26. Это наводит на мысль о том, что большая часть электричества, инъецированного в электроды на уровне полярных регионов, покинуло терреллу через экваториальную область. Это согласуется с наблюдениями Солнца, показывающими наиболее яркое свечение и более высокую скорость вращения [56] вокруг солнечного экватора.

Используя метод аналогии и применяя принципы униполярных электродвигателей к небесным телам, таким как звёзды и планеты, мы обнаружим, что «внутренний» магнит небесного тела играет роль цилиндрического магнита электромотора. Внешний источник энергии небесного тела работает в качестве его батареи электропитания. Частичный вакуум, из которого состоит внешний космос, является эквивалентным неполному вакууму, создаваемому в лабораторных условиях. А ток Биркеланда, пересекающий плазму, окружающую небесное тело, играет роль электропровода, замыкающего цепь при подключении батареи к магниту.

Если небесное тело является проводником, по которому протекает электрический ток и электромагнитное поле, то оно также будет подвержено действию силы Лоренца. В этом смысле звёзды и планеты представляют собой гигантские униполярные двигатели, поэтому они и вращаются. Следовательно, с уменьшением силы электрического тока и/или магнитного поля, уменьшается и скорость их вращения.

Заметьте, что Луна имеет лишь минимальное осевое вращение. Как мы уже пояснили, Луна не обладает двойной прослойкой. У неё также нет собственной плазмосферы, так как её электрический потенциал равен электрическому потенциалу окружающего её пространства. Благодаря этому Луна не подвержена электрическим токам, которые могли бы сгенерировать силу Лоренца, отсюда и практически отсутствующее осевое вращение.

Луна вращается вокруг своей оси с той же скоростью, с которой она делает полный оборот вокруг Земли, на что ей требуется 27 дней. Вот почему мы видим с Земли всегда только одну её сторону.

Причиной такого замедленного осевого вращения Луны является, вероятно, её остаточный магнетизм. [57]

Для космологов плазмы движущей силой вращающихся звёзд является, конечно, электричество:

. В пределах видимой Вселенной мы обнаруживаем магнитные поля, связывающие галактики и показывающие, что галактики представляют собой «бусины, нанизанные на нить» вдоль космических линий электропередач. Расположенные на них галактики и звёзды вращаются подобно простейшим электромоторам, известным как «униполярные» электромоторы, или двигатели Фарадея. Вездесущие спиральные рукава галактик следуют траектории движения электрического тока между галактическим ядром и периферией. С электрической точки зрения, мы делаем простое наблюдение, что увеличение поступления электрического тока к звёздам приводит к увеличению максимальной скорости вращения. [58]

В 3-й части этой книги мы рассмотрим, какую роль играет сила Лоренца (результат взаимодействия между электрическим током и магнитным полем) в многочисленных природных явлениях на Земле.

В 1-й части этой книги мы представили основные идеи теории Электрической Вселенной и плазменной космологии: первостепенную роль электрически заряженной плазмы, как различные электрические потенциалы формируются вокруг небесных тел и регулируют электрический градиент, через который может протекать ток, относительные заряды небесных тел в нашей Солнечной системе, а также роль электричества (а именно силы Лоренца) в структурном формировании галактик и солнечных систем и их вращении. Во 2-й части мы рассмотрим подробнее теорию Немезиды и то, как она согласуется с системой взглядов, базирующейся на рассмотренных концепциях.

[55]: Jago, L., The Northern Lights, Alfred A. Knopf, 2001

[56]: Согласно движению солнечных пятен период обращения Солнца на экваторе составляет 27 дней и всего лишь 31 день на полюсах.

[57]: Как уже было упомянуто, Луна не всегда была лишена магнитосферы. Поверхность Луны проявляет остаточный магнетизм, как показали пробы грунта, собранные во время полетов Аполлона. См.: Scott, D. E., The Electric Sky, стр. 214

Комментарий: Читайте все переведенные главы из книги Пьерра Лескодро (Pierre Lescaudron) «Земные изменения и взаимосвязь между человеком и космосом» (Earth Changes and the Human Cosmic Connection), и другие интересные статьи, имеющие отношение к этой же тематике:

Pierre Lescaudron

Пьерр Лескодро (M.Sc, MBA) родился в 1972 г. в Тулузе, Франция. Он сделал карьеру в административном руководстве, консалтинге и обучении аспирантов высокотехнологичных областей науки и промышленности.

Позже он стал редактором SOTT.net, исполнив свою заветную мечту изучать науку, технологию и историю.

Ему особенно нравится «связывать различные факты в единое целое» и сочетать области науки, которые традиционно считаются несвязанными между собой.

Видео:Запускаем униполярный шаговик / Unipolar Stepper Motor DriverСкачать

Разумный человек

Вот здесь, например, предлагается построить некий простой мотор Стефана Маринова. Уж не знаю, кто такой Стефан Маринов, но на картинке изображен т.н. униполярный двигатель Фарадея и даже сама картинка поперта с Википедии из статьи “Homopolar motor”. Конструкция мотора до крайности проста и его изготовление требует покупки разве что сильного магнита – чем сильнее, тем лучше. Это если под рукой не окажется аудиодинамика или наушников, которых не жалко, так что можно вытащить магнит оттуда.

А вот тут можно найти еще более детальные инструкции по изготовлению такого мотора.

Для тех кто не читает по-английски:

Весь мотор состоит из дискообразного магнита (нижняя шайба на рисунке) изготовленного из токопроводящего материала, шурупа (обеспечивающего точечный подвесной контакт для минимизации трения), источника питания (батарейка типа D, но подойдет подойдет любой источник питания выдающий ток в 1-10А в режиме короткого замыкания) являющегося одновременно и контактной площадкой (эти функции можно развести, если есть желание) и проволочки подающей электричество от другой стороны батарейки.

При достаточном токе и силе магнита магнит начинает вращаться и раскручивается до нескольких тысяч оборотов в минуту. Этот эффект связан с возникновением т.н. силы Ампера в проводнике через который течет ток перпендикулярный магнитному полю. Направление силы Ампера перпендикулярно как линиям магнитного поля, так и направлению тока (правило правой руки) и раскручивает диск магнита. При изменении полярности направление вращения меняется на противоположное.

Конструкцию двигателя можно менять и усложнять – например, магнит может не быть токопроводящим, достаточно иметь немагнитный диск из токопроводящего материала закрепленный сверху на той же оси так, чтобы он был соединен с шурупом. Второй контакт (проволочка) может не касаться металла непосредственно, чтобы избежать механического трения – например, круглая крышка банки из-под кофе (металлическая или пластиковая) с налитым в нее электропроводящей жидкостью (раствором медного купороса, к примеру) помещенная между магнитом и шурупом обеспечит замечательный жидкостный контакт практически без трения. Магнит можно заменить электромагнитом. И т.д.

Я видел работающий униполярный двигатель Фарадея – он действительно работает и действительно так как описано. Собственно, я лично и не сомневался, что будет, хотя анализ принципа работы униполярного двигателя может, вообще-то, вызвать некоторые вопросы и недоразумения типа рассмотренных в разделе “Sources of Confusion”. Однако в этом разделе, как впрочем, и во многих других статьях и темах форумов посвященных этому двигателю, не упоминается самая главная проблема – этот двигатель нарушает закон сохранения момента импульса.

Читайте также: Как изготовить лодку из пвх под мотор

Любой, кому доводилось разбирать любой электродвигатель знает, что они состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор может быть сделан из постоянного магнита как в простейших моторчиках типа тех, что стояли в советских электрических игрушках или быть электромагнитом – постоянным или переменным. Ротор практически всегда – переменный электромагнит. Движение ротора происходит за счет притягивания и/или отталкивания его от статора, причем в определенных фазах вращения ротора намагничивание ротора, а возможно и статора меняется, так что притягивание и/или отталкивание продолжается сообщая ротору непрерывное вращение.

В предыдущем абзаце обратите внимание на слова – притягивание и отталкивание. Если ротор притягивается к статору, то и статор притягивается к ротору. Если ротор отталкивается от статора, то и статор отталкивается от ротора. В полном соответствии с 3м законом Ньютона. Если вам когда-нибудь приходилось держать в руках электромотор в стадии начальной раскрутки, то вы могли чувствовать, что корпус (со статором внутри него) пытается провернуться в направлении противоположном направлению вращения ротора. Тот самый закон сохранения момента импульса. А теперь посмотрите на двигатель Фарадея – у него нет статора. Ему не от чего отталкиваться. В соответствии с законом сохранения импульса ни магнит, ни двигатель в целом не должны вращаться. А он вращается. Наблюдается так называемое безопорное вращение, в терминологии “альтернативщиков”.

Этому эффекту без малого 200 лет и он до сих пор не объяснен официальной наукой. Более того, она старается о нем просто не упоминать (кто сказал – “Нонконспирология”?). И только любители “свободной энергии, вечных двигателей, и антигравитации” говорят о нём, но кто же будет слушать этих юродивых, верно?

Между тем, этот же эффект может быть использован для изготовления линейного двигателя (задача чисто инженерная), что позволяет создать так называемый безопорный двигатель – т.е. двигатель не нуждающийся в отбрасывании от себя других масс в любом виде (так, колесо отбрасывает от себя Землю, винтовой самолет – воздух, ракета – разогретый газ и т.п.). Такой двигатель будет нарушать родственный закон – закон сохранения импульса. Сравните:

Видео:Униполярный мотор-генератор на постоянных магнитах Н. Тесла. Тест 2.Скачать

Униполярный генератор: устройство, история создания, применение

Униполярный генератор представляет собой электрический механизм постоянного тока, содержащий электропроводящий диск или цилиндр, вращающийся в плоскости. Имеет различные по мощности потенциалы между центром диска и ободом (или концами цилиндра) с электрической полярностью, которая зависит от направления вращения и ориентации поля.

Он также известен как униполярный генератор Фарадея. Напряжение, как правило, низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские машины могут генерировать сотни вольт, а некоторые системы имеют несколько последовательных генераторов для получения еще большего напряжения. Они необычны тем, что могут генерировать электрический ток, который способен превышать миллион ампер, поскольку униполярный генератор вовсе не обязательно имеет высокое внутреннее сопротивление.

Видео:униполярный двигательСкачать

История изобретения

Первый гомополярный механизм был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют диском или колесом Фарадея в его честь. Это было начало современных динамо-машин, то есть электрических генераторов, работающих на магнитном поле. Он был очень неэффективным и не использовался в качестве практического источника энергии, но показал возможность выработки электричества с помощью магнетизма и проложил путь к коммутируемым динамо-источникам постоянного тока, а затем к генераторам переменного тока.

Видео:Подключаем униполярные шаговые двигателиСкачать

Недостатки первого генератора

Диск Фарадея был в первую очередь неэффективен из-за встречных потоков тока. Принцип работы униполярного генератора будет описан как раз на его примере. В то время как поток тока индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении. Противоток ограничивает выходную мощность для приемных проводов и вызывает ненужный нагрев медного диска. Более поздние гомополярные генераторы могли бы решить эту проблему с помощью набора магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания постоянного поля по окружности и устранения областей, в которых может возникнуть противоток.

Видео:Униполярный двигатель на постоянных магнитах Н. Тесла. Тест 4.Скачать

Дальнейшие разработки

Вскоре после того, как оригинальный диск Фарадея был дискредитирован как практический генератор, была разработана модифицированная версия, сочетающая магнит и диск в одной вращающейся части (роторе), но сама идея ударного униполярного генератора была зарезервирована для этой конфигурации. Один из самых ранних патентов на униполярные механизмы общего типа был получен A. F. Delafield, патент США 278 516.

Видео:Униполярный двигательСкачать

Исследования выдающихся умов

Другие ранние патенты на ударные униполярные генераторы были присуждены С. З. Де Ферранти и С. Батчелору отдельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и проводил работу с гомополярными механизмами, и в итоге запатентовал улучшенную версию устройства в патенте США 406 968.

Патент Tesla “Dynamo Electric Machine” (униполярный генератор Тесла) описывает расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенными, подобно шкивам, металлическим ремнем. Каждый диск имел поле, противоположное другому, так что поток тока проходил от одного вала к краю диска через ремень к другому краю и ко второму валу. Это значительно уменьшило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, позволяя обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом.

Позже патенты были присуждены С. П. Штайнмецу и Э. Томсону за их работу с униполярными генераторами высокого напряжения. Динамо Forbes, разработанное шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом, широко использовалось в начале ХХ века. Большая часть разработок, выполненных в гомополярных механизмах, была запатентована J.E. Noeggerath и R. Eickemeyer.

Видео:Электродвигатель на батарейкеСкачать

50-е годы

Гомополярные генераторы пережили ренессанс в 1950-х годах в качестве источника импульсного накопителя энергии. Эти устройства использовали тяжелые диски как форму маховика для хранения механической энергии, которую можно было быстро сбросить в экспериментальный аппарат.

Ранний пример такого рода устройства был создан сэром Марком Олифантом в Научно-исследовательской школе физических наук и инженерии Австралийского национального университета. В нем хранилось до 500 мегаджоулей энергии, и он использовался в качестве источника сверхвысокого тока для экспериментов с синхротроном с 1962 года до его разборки в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна подавать токи до 2 мегаампер (МА).

Видео:лекция 368 Униполярный шаговый даигательСкачать

Разработка корпорации Parker Kinetic Designs

Подобные устройства еще большего размера спроектированы и изготовлены компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производили устройства для самых разных целей: от питания железнодорожных пистолетов до линейных двигателей (для космических запусков) и различных конструкций оружия. Промышленные образцы на 10 МДж были введены для различных ролей, включая электросварку.

Эти устройства состояли из проводящего маховика, один из которых вращался в магнитном поле с одним электрическим контактом около оси, а другой – около периферии. Они использовались для генерации очень высоких токов при низких напряжениях в таких областях, как сварка, электролиз и исследование рельсовых пушек. В приложениях с импульсной энергией угловой момент ротора применяется для накопления энергии в течение длительного периода, а затем для ее высвобождения за короткое время.

В отличие от других типов униполярных генераторов с коммутатором, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов является результатом действия силы Лоренца на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, а поле осевое, поэтому электродвижущая сила радиальная.

Электрические контакты обычно выполняются через «щетку» или контактное кольцо, что приводит к большим потерям при генерируемых низких напряжениях. Некоторые из этих потерь могут быть уменьшены путем использования ртути или другого легко сжиженного металла, или сплава (галлий, NaK) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.

Видео:Униполярный шаговый двигательСкачать

Модификация

Недавно предложенная модификация заключалась в использовании плазменного контакта, снабженного неоновым стримером с отрицательным сопротивлением, касающегося края диска или барабана, с использованием специализированного углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Это имело бы преимущество очень низкого сопротивления в диапазоне тока, возможно, до тысяч ампер без контакта с жидким металлом.

Если магнитное поле создается постоянным магнитом, генератор работает независимо от того, прикреплен ли магнит к статору или вращается вместе с диском. До открытия электрона и закона силы Лоренца это явление было необъяснимым и было известно, как парадокс Фарадея.

Видео:🌑 ДВИГАТЕЛЬ из батарейки и подшипников невероятно просто! Ball Bearing Motor Игорь БелецкийСкачать

“Барабанный тип”

Гомополярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (В), которое излучается радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по всей его длине. Проводящий барабан, вращающийся сверху в области магнита типа «громкоговоритель», у которого один полюс находится в центре, а другой окружает его, может использовать проводящие шарикоподшипники в своих верхней и нижней частях для захвата генерируемого тока.

Видео:Галилео. Эксперимент. Мотор из магнитаСкачать

В природе

Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается через магнитное поле, например, при движении высокопроводящей плазмы в ионосфере космического тела через его магнитное поле.

Униполярные индукторы были связаны с сиянием на Уране, двойными звездами, черными дырами, галактиками, спутником Юпитера Ио, Луной, Солнечным ветром, солнечными пятнами, и венерианским магнитным хвостом.

Видео:🌑 ГЕНЕРАТОР ФАРАДЕЯ УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПАРАДОКС ФАРАДЕЯ Unipolar Generator ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙСкачать

Особенности механизма

Как и все вышеупомянутые космические объекты, диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую. Эта машина может быть проанализирована с использованием собственного закона электромагнитной индукции Фарадея.

Этот закон в его современной форме утверждает, что постоянная производная магнитного потока через замкнутую цепь индуцирует в ней электродвижущую силу, которая, в свою очередь, возбуждает электрический ток.

Поверхностный интеграл, который определяет магнитный поток, может быть переписан как линейный вокруг схемы. Хотя подынтегральное выражение интеграла от линии не зависит от времени, так как диск Фарадея, который является частью границы линейного интеграла, движется, производная полного времени не равна нулю и возвращает правильное значение для расчета электродвижущей силы. Альтернативно диск может быть уменьшен до проводящего кольца по его окружности с помощью единственной металлической спицы, соединяющей кольцо с осью.

Закон силы Лоренца легче использовать для объяснения поведения машины. Этот закон, сформулированный через тридцать лет после смерти Фарадея, утверждает, что сила на электроне пропорциональна перекрестному произведению его скорости и вектору магнитного потока.

В геометрическом выражении это означает, что сила направлена ​​под прямым углом как к скорости (азимутальной), так и к магнитному потоку (осевой), которая поэтому находится в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске вызывает разделение зарядов между его центром и ободом, и, если цепь замыкается, возникает электрический ток.

Видео:Униполярный шаговый двигатель 28BYJ-48 в биполярныйСкачать

Электродвигатель

Однополярный электродвигатель – это устройство постоянного тока с двумя магнитными полюсами, проводники которого всегда пересекают однонаправленные линии магнитного потока, вращая проводник вокруг неподвижной оси так, чтобы он находился под прямым углом к ​​статическому магнитному полю. Результирующая ЭДС (электродвижущая сила), являющаяся непрерывной в одном направлении, гомополярному двигателю не требует коммутатора, но все же требует контактных колец. Название «гомополярный» указывает на то, что электрическая полярность проводника и полюсов магнитного поля не изменяются (то есть, что он не требует коммутации).

Однополярный двигатель был первым электромотором, который был построен. Его действие было продемонстрировано Майклом Фарадеем в 1821 году в Королевском институте в Лондоне.

Видео:Простейший униполярный двигательСкачать

Изобретение

В 1821 году, вскоре после того, как датский физик и химик Ханс Кристиан Эрстед открыл феномен электромагнетизма, Хамфри Дэви и британский ученый Уильям Хайд Волластон попытались, но не смогли, разработать электрический двигатель. Фарадей, которого Хамфри оспаривал как шутку, продолжил создавать два устройства для создания так называемого «электромагнитного вращения». Один из них, теперь известный как гомополярный двигатель, создал непрерывное круговое движение. Оно было вызвано круговой магнитной силой вокруг провода, положенного в лужу ртути, в которую был помещен магнит. Провод вращался бы вокруг магнита, если бы был снабжен током от химической батареи.

Эти эксперименты и изобретения легли в основу современных электромагнитных технологий. В скором времени Фарадей опубликовал результаты. Это обострило отношения с Дэви из-за его ревности к достижениям Фарадея и стало причиной того, что последний занялся другими делами, что в результате несколько лет препятствовало его участию в электромагнитных исследованиях.

Б. Г. Ламм описал в 1912 году гомополярную машину мощностью 2000 кВт, 260 В, 7700 А и 1200 об/мин с 16 контактными кольцами, работающими при периферийной скорости 67 м/с. Униполярный генератор мощностью 1125 кВт, 7,5 В, 150 000 А, 514 об/мин, построенный в 1934 году, был установлен на американском сталелитейном заводе для сварки труб.

Видео:Униполярный двигатель и переменный токСкачать

Тот самый закон Лоренца

Эксплуатация этого двигателя схожа с принципом работы ударного униполярного генератора. Однополярный двигатель приводится в действие силой Лоренца. Проводник с током, текущим через него, когда он помещен в магнитное поле и перпендикулярен ему, ощущает силу в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и току. Эта сила обеспечивает оборотный момент вокруг оси вращения.

Поскольку последняя параллельна магнитному полю, а противоположные магнитные поля не меняют полярность, для продолжения вращения проводника коммутация не требуется. Эту простоту легче всего достичь с помощью однооборотных конструкций, что делает гомополярные двигатели непригодными для большинства практических применений.

Как и большинство электромеханических машин (вроде униполярного генератора Неггерата), гомополярный двигатель является обратимым: если проводник поворачивается механически, то он будет работать как гомополярный генератор, создавая напряжение постоянного тока между двумя выводами проводника.

Постоянный ток является следствием гомополярной природы дизайна. Гомополярные генераторы (HPG) были тщательно исследованы в конце 20-го века в качестве источников постоянного тока низкого напряжения, но с очень высоким током, и достигли некоторого успеха в питании экспериментальных рельсовых пушек.

Строение

Сделать униполярный генератор своими руками довольно просто. Однополярный мотор также очень прост в сборке. Постоянный магнит используется для создания внешнего магнитного поля, в котором будет вращаться проводник, и батарея заставляет ток течь вдоль проводящего провода.

Нет необходимости, чтобы магнит двигался или даже контактировал с остальной частью двигателя; его единственная цель – создать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с аналогичным полем, индуцированным током в проводе. Можно прикрепить магнит к батарее и позволить проводнику свободно вращаться при замыкании электрической цепи, касаясь как верхней части батареи, так и магнита, прикрепленного к нижней ее части. Провод и батарея могут нагреваться при непрерывной работе.

Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока

Безщеточный двигатель принцип работы

Двигатель постоянного тока устройство и принцип действия

Асинхронный двигатель принцип работы и устройство