Viihdyttävä fysiikka: pyörivä magneettikenttä oppitunnilla. Pyörivä magneettikenttä

RMF:llä (Rotating Magnetic Field) tarkoitamme kenttää, jonka magneettinen viritysgradientti, ilman suuruusmuutoksia, kiertää vakaalla kulmanopeudella.

Hyvä esimerkki

Magneettikenttien käytännön vaikutusta havainnollistaa kotona koottava asennus. Tämä on pyörivä alumiinilevy, joka on asennettu kiinteään impostiin.

Jos tuot magneetin sen lähelle, voit varmistaa, että magneetti ei kanna sitä pois, eli se ei ole magnetoitunut. Mutta jos asetat pyörivän magneetin lähelle, tämä aiheuttaa alumiinilevyn väistämättömän pyörimisen. Miksi?

Vastaus voi tuntua yksinkertaiselta - magneetin pyöriminen johtuu levyä pyörivistä pyörteistä. Mutta oikeastaan ​​kaikki on toisin! Tästä syystä levyn ja magneetin väliin asennetaan orgaaninen tai tavallinen lasi. Ja kuitenkin, levy pyörii magneetin pyörimisen kuljettamana!

Syynä on se, että kun magneettikenttä muuttuu (ja pyörivä magneetti luo sen), ilmaantuu virityksen (induktion) EMF (sähköinen käyttövoima), joka edistää sähkövirtojen syntymistä alumiinilevyssä, jonka fyysikko löysi ensimmäisenä. A. Foucault (useimmiten niitä kutsutaan "Foucault-virroiksi"). Levylle ilmestyvät virrat luovat vaikutuksensa kautta oman, erillisen magneettikentän. Ja kahden kentän vuorovaikutus aiheuttaa niiden vastustuksen ja alumiinilevyn pyörimisen.

Sähkömoottorin toimintaperiaate

Tämä koe herättää kysymyksen: onko mahdollista luoda korkea magneettikenttä pyörittämättä magneettia, mutta käyttämällä vaihtovirran luonnetta? Vastaus on kyllä, voit! Kokonainen osa sähkölaitteita, mukaan lukien sähkömoottorit, on rakennettu tälle fyysiselle laille.

Voit tehdä tämän ottamalla neljä kelaa ja järjestämällä ne pareittain 900:een suhteessa toisiinsa. Käytä sitten vaihtovirtaa vuorotellen yhteen ja sitten toiseen kelapariin, mutta kondensaattorin kautta. Tässä tapauksessa toisen kelaparin jännite siirtyy suhteessa virtaan π/2. Tämä luo kaksivaiheisen virran.

Jos yhdessä kelaparissa on nolla jännite, magneettikenttää ei ole. Toisessa parissa tällä hetkellä jännite on huippu ja magneettikenttä (magneettikenttä) on maksimi. Kelojen kytkeminen ja irrottaminen vuorotellen luo VMF:n, jonka suunta muuttuu ja arvo on vakio. Pohjimmiltaan luotiin sähkömoottori, tyyppi, jota kutsutaan yksivaiheiseksi kondensaattoriksi.

Miten kolmivaihevirrat luodaan?

Ne virtaavat nelijohtimien johtojen läpi. Yksi toimii nollana ja muut kolme syöttävät sinimuotoista virtaa, jonka vaihesiirto on 120º. Jos samalla periaatteella sijoitetaan kolme käämiä yhdelle akselille 120 asteen kulmassa ja niihin kohdistetaan kolmen vaiheen virta, tuloksena olisi kolmen magneettisen pyörivän kentän ilmaantuminen tai kolmivaiheisen sähkön periaate. moottori.

Käytännöllinen käyttö

Sisävuoro sähkövirta kolmessa vaiheessa, eniten käytetty teollisuudessa, kuten tehokas menetelmä energian siirto. Moottorit ja generaattorisarjat Kolmivaihevirralla ohjatut laitteet ovat käytössä luotettavampia kuin yksivaiheiset. Niiden helppokäyttöisyys johtuu siitä, että vakion pyörimisnopeuden tiukkaa säätöä ei tarvita, samoin kuin suuremman tehon saavuttaminen.

Tämän tyyppisiä moottoreita ei kuitenkaan voida käyttää kaikissa tapauksissa, koska niiden nopeus riippuu magneettikentän pyörimistaajuudesta, joka on 50 Hz. Tässä tapauksessa moottorin nopeuden viiveen on oltava puolet magneettikentän pyörimisestä, koska muuten magneettisen virityksen vaikutusta ei esiinny. Sähkömoottorin roottorin nopeuden säätö on mahdollista vain vakiovirralla reostaatin avulla.

Juuri tästä syystä raitiovaunut ja johdinautot on varustettu tasavirtamoottoreilla, joilla on mahdollisuus ohjata pyörimisnopeutta. Samaa ohjausperiaatetta käytetään sähköjunissa, joissa tuhattonnisten kuormien liikkeestä johtuva vaihtovirtajännite vastaa 28000V. Vaihtovirran muuntaminen tasavirraksi johtuu tasasuuntaajista, jotka vievät suurimman osan sähköveturista.

Siitä huolimatta asynkronisten AC-moottoreiden hyötysuhde on 98%. On myös syytä huomata, että tällaisen AC-moottorin roottori koostuu ei-magneettisesta materiaalista, jossa on hallitseva alumiinikomponentti. Syynä on se, että virrat aiheuttavat parhaiten alumiinin magneettikentän induktion vaikutuksen. Ehkä ainoa rajoitus kolmivaihemoottorin käytössä on säätelemätön nopeus. Mutta lisämekanismit, kuten variaattorit tai vaihdelaatikot, selviävät tästä tehtävästä. Totta, tämä johtaa yksikön kustannusten nousuun, kuten tapahtuu tasasuuntaajan ja reostaatin käytön yhteydessä tasavirtamoottorille.

Näin viihdyttävä fysiikka, erityisesti pyörivä magneettikenttä, auttaa ihmiskuntaa luomaan moottoreita, eikä vain mukavampaa olemassaoloa varten.

Sähköpaino on helppoa

alkaa moderni näyttämö sähkötekniikan kehitys juontaa juurensa viime vuosisadan 90-luvulle, jolloin monimutkaisen energiaongelman ratkaisu herätti henkiin voimansiirron ja sähkökäytön. Sähköistys alkoi, kun tuli mahdolliseksi rakentaa suuria voimalaitokset paikoissa, joissa on runsaasti primäärienergiaa, yhdistävät työnsä yhteiseksi verkkoksi ja toimittavat sähköä kaikkiin keskuksiin ja sähkönkulutuslaitoksiin.

Sähköistyksen tekninen puoli koostui monivaiheisten järjestelmien kehittämisestä, joista käytäntö valitsi kolmivaiheisen järjestelmän. Kolmivaihejärjestelmän tärkeimmät ja joka tapauksessa uudet elementit olivat sähkömoottorit, joiden toiminta perustuu pyörivän magneettikentän ilmiön käyttöön.

Aiemmin mainittiin Aragon koe, jossa kiekko ja pyörivä magneetti heijastivat periaatetta asynkroninen sähkömoottori pyörivällä magneettikentällä. Tätä kenttää ei kuitenkaan luonut kiinteä laite, kuten nykyaikaisten koneiden staattori, vaan pyörivä magneetti (kuva 4.2).

Aragon löytämä ilmiö ei pitkään aikaan löytänyt käytännön sovellusta. Vasta vuonna 1879 W. Beley (Englanti) suunnitteli laitteen (kuva 6.1), jossa magneettikentän avaruudellinen liike toteutettiin kiinteällä laitteella - magnetoimalla vuorotellen neljää ympyrän kehällä sijaitsevaa sähkömagneettia. Magnetointi suoritettiin tasavirtapulsseilla, jotka lähetettiin sähkömagneettien käämeille erityisesti tähän tarkoitukseen sovitetulla kommutaattorilla. Tankojen yläpäiden napaisuus muuttui tietyssä järjestyksessä niin, että jokaisen kahdeksan kommutaattorin vaihdon jälkeen magneettivuo muutti suuntaaan avaruudessa 360. Sähkömagneettien napojen yläpuolella, kuten Aragon kokeissa, kuparikiekko 2 Beli huomautti, että äärettömän suurelle määrälle sähkömagneetit voisivat varmistaa magneettikentän tasaisen pyörimisen. Belin laitteelle ei löytynyt käyttöä. Hän oli kuitenkin jonkin verran linkki Aragon kokemuksen ja myöhemmän tutkimuksen välillä. Tämän päivän näkökulmasta vaikuttaa äärimmäisen yksinkertaiselta toteuttaa pyörivä kenttä Beli-asennuksessa tai vastaavassa erityyppisessä laitteessa syöttämällä sähkömagneetteja sinimuotoisilla virroilla eri alkuvaiheilla. Viime vuosisadan 80-luvulla tämä vaati kuitenkin useiden vuosien työtä ja etsintää monilta tiedemiehiltä, ​​joiden joukossa oli ranskalainen fyysikko Marcel Depres, joka vuonna 1883 kehitti järjestelmän kahden liikkeen synkroniseen viestintään. induktiosähkömittareiden suunnitelmia, Borel ja Shallenberger, repulsiomoottorin keksijä I. Thomson, amerikkalainen sähköinsinööri C. Bradley, saksalainen insinööri F. Haselwander yms. Tältä osin on mielenkiintoista lainata Eli Thomsonin lausetta: "Se on vaikeaa luoda yhdistelmää magneeteista, vaihtovirrasta ja kuparipaloista, joilla ei olisi taipumusta pyöriä."

Pyörivän magneettikentän ja monivaiheisten järjestelmien löytämisen historia on erittäin monimutkainen. 90-luvulla tapahtui monia kokeita, joissa keksijöiden patentteja ostaneet yritykset yrittivät puolustaa oikeuksiaan monivaiheisiin järjestelmiin. Yksistään yhdysvaltalainen Westinghouse on suorittanut yli 25 koetta.

Erinomaiset tiedemiehet, italialainen Galileo Ferraris (1847-1897) ja serbialainen Cikola Tesla (1856-1943), suorittivat kuitenkin täydelliset ja tunnetuimmat kokeelliset ja teoreettiset pyörivän magneettikentän tutkimukset toisistaan ​​riippumatta.

G. Ferraris väitti ymmärtäneensä pyörivän magneettikentän ilmiön olemuksen jo vuonna 1885, mutta hän teki maaliskuussa Torinon akatemiassa (jonka jäsen hän oli vuodesta 1880) raportin "Vaihtovirtojen tuottama sähködynaaminen pyöriminen". 18, 1888.

N. Tesla kertoi omaelämäkerrassaan, että ajatus kaksivaiheisesta asynkronisesta moottorista syntyi hänelle jo vuonna 1882, kun hän työskenteli Budapest Telegraph Companyssa. Kävellessään puistossa ystävän kanssa hän sai idean, ja "hän piirsi keppillään hiekkaan periaatteen, jonka hän esitteli kuusi vuotta myöhemmin American Institute of Electrical Engineersin konferenssissa". Raportti tässä instituutissa tapahtui 16. toukokuuta 1888, s.o. kaksi kuukautta myöhemmin kuin Ferrarin raportti. Mutta Tesla jätti ensimmäisen patenttihakemuksensa monivaihejärjestelmille 12. lokakuuta 1887, ts. aiemmin Ferrarin esityksiä.

Pysähdytään ensin G. Ferrarisin työhön, emmekä lähde ensisijaisista näkökohdista, vaan siitä tosiasiasta, että hänen työnsä tarjoaa yksityiskohtaisemman teoreettisen analyysin ja myös siksi, että aikoinaan Ferrarin raportin käännös englanninkielisessä lehdessä joutui M. O. Dolivo-Dobrovolskyn käsiin ja aiheutti ensimmäisen sysäyksen sarjaan myöhempiä merkittäviä keksintöjä. Galileo Ferraris oli kuuluisa tiedemies Euroopassa, joka edusti Italiaa useissa kansainvälisissä näyttelyissä ja kongresseissa.

Professori kehitti vaihtovirtateorian ja pystyi selittämään monimutkaisia ​​fysikaalisia prosesseja erittäin selkeästi. Näin hän selitti transkriptiossaan pyörivän magneettikentän ilmiön.

Tarkastellaanpa kuvassa esitettyä. 6.2. tilakaavio, jossa x-akseli: edustaa yhden kelan luoman magneettisen induktiovektorin positiivista suuntaa ja y-akseli on toisen kelan kentän positiivinen suunta. Sillä hetkellä, jolloin yhden kentän induktio pisteessä O on kuvattu segmentillä OA ja toisen - OB, tuloksena oleva kokonaisinduktio kuvataan segmentillä OR. Kun OA ja OB muuttuvat, piste R liikkuu käyrää pitkin, jonka muodon määräävät kahden kentän ajanmuutoslait. Jos kahdella kentällä on identtiset amplitudit ja ne siirtyvät vaiheessa neljänneksellä, pisteen R paikka on ympyrä. Magneettikenttä pyörii. Jos jonkin kentän vaihetta tai sen herättävää virtaa muutetaan 180, muuttuu myös tuloksena olevan kentän pyörimissuunta. Jos asetat tähän kenttään kuparisylinterin, jossa on akseli ja laakerit, se pyörii. Myöhemmin asynkronisia moottoreita, joissa oli ontto roottori kuparilasin muodossa, kutsuttiin Ferraris-moottoreiksi.

Mutta kuinka saada kaksi vaihtovirtaa, jotka on siirretty suhteessa toisiinsa vaiheittain? Ferraris ehdotti "vaiheenjakomenetelmää", jossa vaihesiirto luotiin keinotekoisesti yhdistämällä piiriin kaksi keskenään kohtisuoraa vaiheensiirtolaitteiden käämiä. Kuvassa 6.3. näyttää Torinon museossa säilytetyn kaksivaiheisen asynkronisen moottorin mallin, jonka johtajana hänen elämänsä lopussa oli Galileo Ferraris.

Teoreettisessa analyysissään Ferraris, joka oli "pienivirtatekniikan" menetelmien vankina, ehdotti, että asynkronisen lukijan tulisi toimia tilassa, joka on yhdenmukainen lukulähteen kanssa, eli tilassa, jossa lähetys lähteestä moottoriin Tämä johti siihen, että moottori toimi 50 prosentin luistolla, ja tämän seurauksena tällaisen moottorin hyötysuhde saattoi olla vain alle 50%. "Nämä laskelmat", Ferraris uskoi, "ja koetulokset vahvistavat ilmeisen a priori päätelmän, että tähän periaatteeseen perustuvassa laitteessa ei voi olla mitään tai käytännön merkitystä...". Tämä erinomaisen tiedemiehen valitettava ja opettavainen virhe vähensi löydön arvoa ja rajoitti sen soveltamisalan vain mittalaitteisiin. Mutta juuri tämä Ferrarin valitettava lause osoittautui onnelliseksi lopuksi Dat 11:lle Dobronol i-kotissa.

Nikola Tesla, yksi tunnetuimmista ja tuotteliaimmista sähkötekniikan alan tutkijoista, joka aloitti tieteellisen uransa viime vuosisadan 80-luvulla, sai 41 patenttia pelkästään monivaihejärjestelmien alalla. Tesla työskenteli jonkin aikaa Edson-yhtiössä Pariisissa (1882-1884) ja muutti sitten Yhdysvaltoihin.Vuonna 1888 Tesla myi kaikki monivaihejärjestelmien patenttinsa tunnetun yrityksen johtajalle George Vstannhausille, joka , vaihtovirtateknologian kehittämissuunnitelmissaan (vastakohtana Edison-yhtiölle) teki Teslan valmistaman koneen. Myöhemmin Tesla kiinnitti huomiota korkeataajuiseen tekniikkaan ("Tesla muuntaja") ja ajatukseen​​ siirtää sähköä ilman johtoja. Mielenkiintoinen yksityiskohta: päätettäessä teollisen taajuuden standardoinnista, ja ehdotusalue oli 25–133 Hz, Tesla puhui voimakkaasti pilottiasennuksiinsa valitsemansa 60 Hz:n taajuuden puolesta. Sitten Westinghousen insinöörien kieltäytyminen Teslan ehdotuksesta toimi alkusysäyksenä tutkijalle, joka päätti erota Westinghousesta. Mutta pian juuri tämä taajuus 1.1 otettiin Yhdysvalloissa käyttöön vakiona.

Teslan patentit kuvattu erilaisia ​​vaihtoehtoja Toisin kuin Ferrarit, Tesla uskoi, että monivaihevirrat tulisi saada monivaiheisista lähteistä eikä käyttää vaiheensiirtolaitteita. Väittäen, että kaksivaiheinen järjestelmä, joka on minimaalinen versio monivaiheisesta järjestelmästä, olisi myös edullisin, Tesla ja hänen jälkeensä Westhouse-yhtiö keskittyivät tähän järjestelmään.

Kaavamaisesti Tesla-järjestelmä tyypillisimmässä muodossaan on esitetty kuvassa 6.4, synkroninen generaattori on esitetty sokeasti, oikealla - asynkroninen moottori. Generaattorissa kaksi keskenään kohtisuoraa kelaa pyörii napojen välillä, joissa virran pohjat syntyivät, siirtyen vaiheeseen 90. Kunkin käämin päät tuotiin ulos generaattorin akselilla sijaitseville renkaille (piirustuksessa selvyyden vuoksi nämä renkaat on eri halkaisijat).

Moottorin roottorissa oli myös käämitys kahden suorassa kulmassa toisiinsa nähden kiinnittyneen kelan muodossa. Tesla-moottorin suurin haitta, joka teki siitä myöhemmin kilpailukyvyttömän, oli käämittyneiden käämitysten esiintyminen. Näillä moottoreilla oli korkea magneettiresistanssi ja äärimmäisen epäsuotuisa magnetointivoiman jakautuminen pitkin ilmarako, mikä johti koneen suorituskyvyn heikkenemiseen. Nämä olivat seurauksia mekaanisesta siirtymisestä vaihtovirtateknologiaan suunnittelukaaviot DC-koneet.

Myös roottorin käämityksen suunnittelu, kuten myöhemmin kävi ilmi, osoittautui epäonnistuneeksi. Itse asiassa käämien keskittäminen (eikä jakautunut koko roottorin kehälle) staattorin ulkonevilla navoilla johti moottorin käynnistysolosuhteiden huononemiseen (käynnistysmomentin riippuvuus roottorin alkuasennosta), ja se, että roottorin käämeillä oli suhteellisen korkea vastus, huononsi suorituskykyominaisuuksia.

Myös kaksivaiheisen virtajärjestelmän valinta kaikista mahdollisista monivaihejärjestelmistä osoittautui epäonnistuneeksi. Tiedetään, että merkittävä osa sähkönsiirtolaitteiston kustannuksista muodostuu lineaaristen rakenteiden ja erityisesti lineaaristen johtojen kustannuksista. Tässä suhteessa vaikutti ilmeiseltä, että mitä pienempi on käytettyjen vaiheiden lukumäärä, sitä pienempi on johtojen määrä ja sitä taloudellisempi voimansiirtolaite on. Kaksivaiheinen järjestelmä vaati neljä johtoa, ja johtojen määrän kaksinkertaistaminen suoriin tai yksivaiheisiin vaihtovirtaasennuksiin verrattuna ei ollut toivottavaa. Siksi Tesla ehdotti joissakin tapauksissa kolmijohtimislinjan käyttöä kaksivaiheisessa järjestelmässä, eli yhden johdon tekemistä yhteiseksi. Tässä tapauksessa johtojen määrä väheni kolmeen. Kuitenkin metallin kulutus lankoille laski odotettua vähemmän, koska yhteisen langan poikkileikkauksen pitäisi olla noin 1,5 kertaa (tarkemmin 2 kertaa) suurempi kuin kummankin muun johdon poikkileikkaus.

Kohdatut taloudelliset ja tekniset vaikeudet viivästyttivät kaksivaiheisen järjestelmän käyttöönottoa käytännössä. Westinghouse-yhtiö rakensi tällä järjestelmällä useita asemia, joista mittakaavaltaan suurin oli Niagaran vesivoimala.

Osoitettiin, että hänen yrityksensä luoda käytännössä "ikuinen liikekone" onnistui, koska kirjoittaja ymmärsi intuitiivisesti tai ehkä tiesi täydellisesti, mutta piilotti huolellisesti totuuden, kuinka luoda oikein halutun muotoinen magneetti ja kuinka oikein vertailla. roottorin ja staattorin magneettien magneettikentät siten, että niiden välinen vuorovaikutus johti roottorin lähes ikuiseen pyörimiseen. Tätä varten hänen täytyi taivuttaa roottorimagneetteja niin, että tästä magneetista tuli poikkileikkaukseltaan bumerangi, heikosti kaareva hevosenkengä tai banaani.

Tämän muodon ansiosta roottorimagneetin magneettikenttälinjat eivät enää olleet suljettuina toruksen muodossa, vaan "donitsin" muodossa, vaikkakin litistyneenä. Ja tällaisen magneettisen "donitsin" sijoittaminen siten, että sen taso, kun roottorimagneetti on mahdollisimman lähellä staattorimagneetteja, on suunnilleen tai pääasiassa yhdensuuntainen staattorimagneeteista lähtevien voimalinjojen kanssa, mahdollisti eetterivirtojen Magnus-ilmiöön, voima, joka varmisti ankkurin pysähtymättömän pyörimisen staattorin ympärillä...

Tietenkin olisi parempi, jos roottorimagneetin magneettinen "munkki" olisi täysin yhdensuuntainen staattorimagneettien napoista lähtevien voimalinjojen kanssa ja sitten Möbius-ilmiö magneettinen virtaus, jotka ovat eetterivirtoja, ilmentyisivät tehokkaammin. Mutta tuohon aikaan (yli 30 vuotta sitten) jopa tämä tekninen ratkaisu Se oli valtava saavutus, että patenttien myöntämiskiellosta huolimatta " ikuiset koneet”Muiden vuosien odotuksen jälkeen Howard Johnson onnistui saamaan patentin, koska ilmeisesti hän onnistui vakuuttamaan patenttiasiantuntijat todella toimivalla esimerkillä magneettimoottoristaan ​​ja magneettiradastaan. Mutta jopa 30 vuoden jälkeen jotkut vallassa olevista kieltäytyvät itsepintaisesti tekemästä päätöstä tällaisten moottoreiden massiivisesta käytöstä teollisuudessa, jokapäiväisessä elämässä, sotilaslaitoksissa jne.

Varmistettuani, että Howard Johnsonin moottori käyttää periaatetta, jonka ymmärsin heidän eetteriteoriansa perusteella, yritin analysoida samoista kohdista toista patenttia, joka kuuluu venäläiselle keksijälle Vasili Efimovitš Alekseenkolle. Patentti myönnettiin jo vuonna 1997, mutta Internet-haku osoitti, että hallituksemme ja teollisuusmiehemme todella jättävät keksinnön huomiotta. Ilmeisesti Venäjällä on vielä paljon öljyä ja rahaa, joten virkamiehet nukkuvat mieluummin pehmeästi ja syövät makeasti, koska heidän palkansa sallivat tämän. Ja tällä hetkellä maatamme lähestyy taloudellinen, poliittinen, ympäristöllinen ja ideologinen kriisi, joka voi kehittyä ruoka- ja energiakriiseiksi ja, jos kehitys on meille ei-toivottua, aiheuttaa demografisen katastrofin. Mutta kuten jotkut tsaarin armeijan komentajat sanoivat, sillä ei ole väliä, naiset synnyttävät uusia...

Annan lukijoille mahdollisuuden tutustua V.E. Alekseenkon patenttiin. Hän ehdotti kahta magneettimoottorimallia. Niiden haittana on, että niiden roottorimagneeteilla on melko monimutkainen muoto. Mutta patenttiasiantuntijat sen sijaan, että olisivat auttaneet patentin tekijää yksinkertaistamaan mallia, rajoittuivat muodolliseen patentin myöntämiseen. En tiedä kuinka Alekseenko V.E. kiertänyt "ikuisliikkuvien koneiden" kiellon, mutta kiitos siitä. Mutta se, että tästä keksinnöstä ei todellakaan ollut hyötyä kenellekään, on jo erittäin huono. Mutta tämä on valitettavasti karu totuus kansamme olemassaolosta, jota hallitsevat riittämättömästi pätevät tai liian itsekkäät olennot. Kunnes paistettu kukko nokii...

KEKSINNÖN

Patentti Venäjän federaatio RU2131636

POLTTOAINETON MAGNEETTIMOOTTORI

Faradayn levyn ja ns. "Faradayn paradoksi", vietti useita yksinkertaisia ​​kokeita ja teki mielenkiintoisia johtopäätöksiä. Ensinnäkin siitä, mihin sinun tulisi kiinnittää eniten huomiota ymmärtääksesi paremmin tässä (ja vastaavassa) yksinapaisessa koneessa tapahtuvia prosesseja.

Faraday-levyn toimintaperiaatteen ymmärtäminen auttaa myös ymmärtämään, miten kaikki muuntajat, käämit, generaattorit, sähkömoottorit (mukaan lukien unipolaarinen generaattori ja yksinapainen moottori) jne. toimivat yleisesti.

Muistiossa on kuvia ja yksityiskohtainen video erilaisilla kokeilla, jotka havainnollistavat kaikkia johtopäätöksiä ilman kaavoja ja laskelmat, "sormilla".

Kaikki seuraava on yritystä ymmärtää ilman väitteitä akateemisesta luotettavuudesta.

Magneettikenttälinjojen suunta

Pääjohtopäätös, jonka tein itselleni: ensimmäinen asia, johon sinun tulee aina kiinnittää huomiota tällaisissa järjestelmissä, on magneettikentän geometria, suunta ja kokoonpano sähkölinjat.

Vain magneettikenttälinjojen geometria, niiden suunta ja konfiguraatio voivat tuoda jonkin verran selkeyttä yksinapaisessa generaattorissa tai unipolaarisessa moottorissa, Faraday-levyssä sekä missä tahansa muuntajassa, kelassa, sähkömoottorissa, generaattorissa jne. tapahtuvien prosessien ymmärtämiseen.

Itselleni jaoin tärkeysasteen seuraavasti: 10% fysiikkaa, 90% geometriaa(magneettikenttä) ymmärtääksesi, mitä näissä järjestelmissä tapahtuu.

Kaikki on kuvattu yksityiskohtaisemmin videossa (katso alla).

On ymmärrettävä, että Faraday-levy ja ulkoinen piiri liukukoskettimilla tavalla tai toisella muodostavat hyvin tunnetun kehys- se muodostuu levyn osasta sen keskustasta liitoskohtaan sen reunassa olevan liukukoskettimen kanssa, ja myös koko ulkoinen piiri(koskettimille sopivat johtimet).

Lorentzin voiman suunta, ampeeri

Ampeeriteho - erikoistapaus Lorentzin joukot (katso Wikipedia).

Kahdessa alla olevassa kuvassa näkyy Lorentzin voima, joka vaikuttaa positiivisiin varauksiin koko piirissä ("kehyksessä") donitsimagneetin kentässä. tapaukseen, jossa ulkoinen piiri on kytketty jäykästi kuparilevyyn(eli kun ei ole liukukoskettimia ja ulkoinen piiri on juotettu suoraan levyyn).

1 riisi. - tapaukseen, jossa koko ketju pyörii ulkoisen mekaanisen voiman vaikutuksesta ("generaattori").
2 riisiä. - jos piiri on syötetty DC. ulkoisesta lähteestä ("moottori").

Napsauta yhtä kuvista suurentaaksesi.

Lorentzin voima ilmenee (virtaa syntyy) vain piirin osissa, jotka liikkuvat magneettikentässä

Yksinapainen generaattori

Joten koska Lorentz-voima, joka vaikuttaa Faraday-levyn tai unipolaarisen generaattorin varautuneisiin hiukkasiin, toimii vastakkaisesti piirin ja levyn eri osissa, virran saamiseksi tästä koneesta tulisi vain ne piirin osat (jos mahdollista) olla asettaa liikkeelle (pyörimään) suuntaan, jossa Lorentzin voimat kohtaavat. Muiden osien on oltava joko paikallaan tai ketjun ulkopuolella, tai käännä sisään vastakkaiselle puolelle .

Magneetin pyöriminen ei muuta magneettikentän tasaisuutta pyörimisakselin ympäri (katso viimeinen kappale), joten sillä, seisoo vai pyörii magneetti, ei ole väliä (vaikka ideaalimagneetteja ei olekaan, ja kentän epähomogeenisuus noin magnetointiakseli, joka johtuu riittämättömästä magneetin laatu, vaikuttaa myös jonkin verran tulokseen).

Tässä tärkeä rooli on sillä, mikä osa koko piiristä (mukaan lukien syöttöjohdot ja koskettimet) pyörii ja mikä on paikallaan (koska Lorentzin voima syntyy vain liikkuvassa osassa). Ja kaikkein tärkeimpänä - missä magneettikentän osassa missä pyörivä osa sijaitsee ja mistä levyn osasta virta otetaan.

Esimerkiksi, jos levy työntyy kauas magneetin yli, niin magneetin reunan yli ulottuvasta levyn osasta voidaan poistaa virtaa vastakkaiseen suuntaan oleva virta, joka voidaan poistaa levyn osasta sijaitsee suoraan magneetin yläpuolella.

Yksinapainen moottori

Kaikki yllä oleva generaattorista pätee myös "moottori"-tilaan.

Jos mahdollista, virta tulee syöttää niihin levyn osiin, joissa Lorentzin voima suunnataan yhteen suuntaan. Juuri nämä alueet on vapautettava, jotta ne voivat pyöriä vapaasti ja "katkaista" ketjun sopiviin paikkoihin asettamalla liukukoskettimet (katso kuvat alla).

Loput alueet tulisi mahdollisuuksien mukaan joko sulkea pois tai niiden vaikutus minimoida.

Video - kokeet ja johtopäätökset

Aika eri vaiheita Tämä video:

3 min 34 sek- ensimmäiset kokeilut

7 min 08 sek- mihin kiinnittää päähuomio ja kokeiden jatkaminen

16 min 43 sek- keskeinen selitys

22 min 53 sek- PÄÄKOKEMUS

28 min 51 sek- Osa 2, mielenkiintoisia havaintoja ja lisää kokeita

37 min 17 sek- yhden kokeen virheellinen päätelmä

41 min 01 sek- Faradayn paradoksista

Mikä hylätään mistä?

Keskustelimme erään elektroniikka-insinöörin kanssa tästä aiheesta pitkään ja hän ilmaisi ajatuksen, joka rakennettiin sanan ympärille " työntää pois".
Olen samaa mieltä siitä, että jos jokin alkaa liikkua, sen on lähdettävä jostain. Jos jokin liikkuu, se liikkuu suhteessa johonkin.

Yksinkertaisesti sanottuna voimme sanoa, että osa johtimesta (ulkoinen piiri tai levy) hylkii magneetti! Vastaavasti hylkivät voimat vaikuttavat magneettiin (kentän läpi). Muuten koko kuva romahtaa ja menettää logiikkansa. Katso magneetin pyörittäminen alla olevasta osiosta.

Kuvissa (voit napsauttaa suurentaaksesi) on vaihtoehtoja "moottori"-tilalle.
Samat periaatteet pätevät generaattorimoodiin.

Tässä toiminta-reaktio tapahtuu kahden tärkeimmän "osallistujan" välillä:

• magneetti (magneettikenttä)
• eri alueita johdin (varautuneet johtimen hiukkaset)

Näin ollen, kun levy pyörii, ja magneetti on paikallaan, silloin toiminta-reaktio tapahtuu välillä magneetti ja osa levyä .

Ja milloin magneetti pyörii yhdessä levyn kanssa, välissä tapahtuu toimintareaktio magneetti ja ketjun ulkoinen osa (kiinteät syöttöjohtimet). Tosiasia on, että magneetin pyöriminen suhteessa piirin ulompaan osaan on sama kuin piirin ulkoosan kierto suhteessa kiinteään magneetiin (mutta vastakkaiseen suuntaan). Tässä tapauksessa kuparilevy ei melkein ole mukana "hylkimisprosessissa".

Osoittautuu, että toisin kuin johtimen varautuneet hiukkaset (jotka voivat liikkua sen sisällä), magneettikenttä on kytketty jäykästi magneettiin. Sisältää ympyrää pitkin magnetointiakselin ympäri.
Ja vielä yksi johtopäätös: kahta kestomagneettia houkutteleva voima ei ole jokin mystinen voima, joka on kohtisuorassa Lorentzin voimaan nähden, vaan tämä on Lorentzin voima. Kyse on elektronien "pyörimisestä" ja siitä geometria". Mutta se on toinen tarina...

Paljaan magneetin pyöriminen

Videon lopussa on hauska kokemus ja johtopäätös miksi Osa Sähköpiiri voidaan saada pyörimään, mutta donitsimagneetti voidaan saada pyörimään magnetointiakselin ympäri - tämä ei toimi (kiinteällä tasavirtapiirillä).

Johdin voi repeytyä paikoista, jotka ovat vastakkaisia ​​Lorentzin voiman suuntaan, mutta magneetti ei voi repeytyä

Tosiasia on, että magneetti ja koko johdin (ulkoinen piiri ja itse levy) muodostavat yhdistetyn parin - kaksi vuorovaikutteista järjestelmää, joista jokainen suljettu itsesi sisällä . Johtimen tapauksessa - suljettu virtapiiri, magneetin tapauksessa voimalinjat ovat "suljettuja" magneettikenttä.

Samanaikaisesti sähköpiirissä johdin voi olla fyysisesti tauko häiritsemättä itse piiriä (asettamalla levy ja liukuvat koskettimet), niissä paikoissa, joissa Lorentzin voima "kääntyy" vastakkaiseen suuntaan, "päästää irti" sähköpiirin eri osista liikkumaan (pyörimään) kukin omaan suuntaansa vastakkain ja katkaisee "ketjun" ” magneettikentän tai magneetin voimalinjoja, niin että magneettikentän eri osat ”eivät häirinneet” toisiaan - ilmeisesti mahdotonta (?). Näyttää siltä, ​​että magneettikentän tai magneetin "liukukoskettimia" ei ole vielä keksitty.

Siksi magneetin pyörimisessä syntyy ongelma - sen magneettikenttä on kiinteä järjestelmä, joka on aina suljettu itsessään ja erottamaton magneetin rungosta. Siinä vastakkaiset voimat alueilla, joilla magneettikenttä on monisuuntainen, kompensoituvat keskenään, jolloin magneetti jää liikkumatta.

Jossa, Job Lorentz- ja Ampere-voimat kiinteässä johtimessa magneettikentässä eivät ilmeisesti mene pelkästään johtimen lämmittämiseen, vaan myös magneettikenttälinjojen vääristymistä magneetti.

MUUTEN! Olisi mielenkiintoista suorittaa koe, jossa magneettikentässä sijaitsevan kiinteän johtimen läpi kulkee valtava virta, ja katso kuinka magneetti reagoi. Kuumeneeko, demagnetoituuko magneetti tai ehkä se yksinkertaisesti hajoaa palasiksi (ja sitten ihmettelen - missä paikoissa?).

Kaikki yllä oleva on yritystä ymmärtää ilman väitteitä akateemisesta luotettavuudesta.

Kysymyksiä

Mikä ei jää täysin selväksi ja vaatii vahvistusta:

1. Onko mahdollista saada magneetti pyörimään erikseen levystä?

Jos annat sekä levylle että magneetille mahdollisuuden, vapaasti pyörivät toisistaan ​​riippumatta, ja syötä virtaa levyyn liukukoskettimien kautta, pyörivätkö sekä levy että magneetti? Ja jos on, mihin suuntaan magneetti pyörii? Kokeilu vaatii suuren Neodyymimagneetti- Minulla ei ole sitä vielä. Tavallisella magneetilla ei ole tarpeeksi magneettikentän voimakkuutta.

2. Levyn eri osien pyörittäminen eri suuntiin

Jos tehdään vapaasti pyörivät toisistaan ​​riippumatta ja kiinteästä magneetista - levyn keskiosa (magneetin "donitsireiän" yläpuolella), levyn keskiosa sekä magneetin reunan yli työntyvä levyn osa ja syötä virtaa liukukoskettimien kautta (mukaan lukien liukukoskettimet levyn pyörivien osien välillä) - pyörivätkö levyn keski- ja ulkoosa yhteen suuntaan ja keskiosa vastakkaiseen suuntaan?

3. Lorentzin voima magneetin sisällä

Vaikuttaako Lorentzin voima hiukkasiin magneetin sisällä, jonka magneettikenttä on vääristynyt ulkoisten voimien vaikutuksesta?