С электричеством и магнетизмом люди сталкивались издавна. Уже за 600 лет до нашей эры древние греки вырабатывали электричество путем трения янтаря о шерсть, а китайцы за 200 лет до нашей эры пользовались компасом.
В 1800 году итальянец Алессандро Вольта создал вольтов столб – источник непрерывного электрического тока, а в 1825 году англичанин Уильям Стёрджент изобрел электромагнит, намотав на подковообразный стержень изолированную проволоку и подключив к обмотке вольтов столб.
Изобретение Фарадея
Дело было за малым – добиться обратного, посредством магнита и катушки выработать электричество. Но как оказалось, помещенный в катушку магнит никакого тока в ней не вызывал. Стрелка подключенного к катушке гальванометра не отклонялась – это если смотреть на гальванометр, затем отвести взгляд, вдвинуть в катушку магнит и снова посмотреть.
Ясность внес англичанин Майкл Фарадей в 1831 году – в момент вдвигания магнита в катушку отводить взгляд от гальванометра не следовало, ток появлялся именно в этот момент. Фарадей установил 2 важных обстоятельства:
- отклонение стрелки гальванометра зависело от скорости движения магнита;
- направление отклонения стрелки определялось направлением движения магнита.
Открытое Фарадеем явление теперь называется электромагнитной индукцией (возникновением электрического тока в замкнутом контуре при изменении проходящего через него магнитного потока), и привело к появлению иных, кроме химических (наподобие вольтова столба) источников электрического тока – динамомашин.
Одна из простых динамомашин - велодинамо, в котором от велосипедного колеса вращение передается на связанный с постоянным магнитом ротор, и в статоре (неподвижной катушке) велодинамо вырабатывается переменный ток, достаточный для питания низковольтной электрической лампочки (все это еще до эпохи светодиодов).
Фонарик Фарадея
Но переменный ток можно получать еще проще – повторить опыт Фарадея. По оси катушки (обычно 600 витков) может перемещаться мощный магнит (сейчас имеется возможность воспользоваться недоступным Фарадею неодимовым), при встряхивании корпуса фонарика магнит совершает возвратно-поступательное движение, вырабатывая электрический ток если не строго синусоидальный, то во всяком случае переменный.
Чтобы не повредить тряской фонарик, движение магнита ограничивается резиновыми упорами. А дальше все просто – переменный ток выпрямляется полупроводниковыми диодами, накапливается в суперконденсаторе (ионисторе), а при включении выключателя подается на светодиод. На форумах пишут, что некогда вместо ионисторов ставили никель-кадмиевые аккумуляторы емкостью 60 мА-часов.
Ниже одна из возможных схем.
На схеме выпрямитель мостовой, мог быть задействован и двухполупериодный с удвоением напряжения. Чтобы обеспечить длительную работу фонарика после тряски, емкость ионистора должна быть достаточной.
Энтузиасты делали фонарики Фарадея с импульсными преобразователями на транзисторе, позволяющими питать светодиод даже при падении напряжения на конденсаторе до нескольких десятых долей вольта. Эти преобразователи на всех языках, начиная с английского, где они впервые были обозначены, называются джоуль-ворами.
Возможности фонарика Фарадея
А теперь от теории к практике. Имеющийся у автора фонарик (изготовитель и марка не обозначены, диаметр цилиндрического корпуса 38 мм, длина 145 мм, цилиндрический магнит диаметром 20 мм) был испытан путем тряски и последующего измерения времени свечения (достаточно яркого, тусклое свечение не в счет). Выяснилось, что уже при 1-2 минутах тряски с частотой 120-150 двойных ходов в минуту время свечения составляет 5 минут, и далее не увеличивается. Т.е. накопитель заряжается до предельного напряжения за 2 минуты, и дальнейшая тряска напряжения не добавляет.
Сверхъяркий белый светодиод потребляет ток порядка 20 мА при напряжении порядка 3,0-3,6 В. При токе 20 мА и напряжении 3,3 В за 5 минут свечения потребляется энергия
0,01*3,3*300 = 20 (Дж).
Если эта энергия выработана путем тряски за 1,5 минуты, то полезная мощность "тряски" составляет 20/90 = 0,22 (Вт). Фактически приходится работать интенсивнее, поскольку не учтен очень низкий коэффициент полезного действия фонарика Фарадея.
Ранее, в статье о велогенераторах (солдат-моторах для питания полевых радиостанций и зарядки аккумуляторов) мы приводили примеры, что человек при педалировании способен работать в течение длительного времени с мощностью порядка 100 Вт, при этом ему требуется дополнительное питание, а еще лучше, если предусмотрен напарник для попеременной работы по полчаса каждый.
Запасаемая конденсатором энергия равна C*U^2/2, где C – емкость конденсатора, а U – напряжение на его обкладках.
При напряжении 3,3 В 20 Дж запасаются в ионисторе емкостью порядка 4 фарад. Эта совершенно невероятная для привычных электролитических конденсаторов емкость для ионисторов - обычное дело. Разумеется, при разряде ионистора напряжение на нем падает, но даже в отсутствие электронной схемы стабилизации тока светодиод светит и при токе меньше номинального.
Если же в фонарике стоят аккумуляторы на 60 мА-часов, то при полной зарядке на светодиод 20 мА они работали бы 3 часа. Но зарядить путем тряски подобный аккумулятор было бы утомительно.
Существует и иной вариант работы с фонариком – потрясти интенсивно минуту. а затем включить и лишь слегка потряхивать. Потряхивания окажется достаточным для постоянного свечения, это несколько схоже с работой фонарика-жучка.
Заключение
Так пригодится фонарик Фарадея выживальщику или нет? Фонарики давно уже не продаются, и, скорей всего, и не производятся. Пожалуй, в них разочаровался потребитель. Появились компактные ручные солдат-моторы (для зарядки мобильников), которые несложно приспособить и к светодиодам, через те же ионисторы или аккумуляторы (от устаревшего и ненужного мобильника).
Но если уж так вышло, что сохранился некогда приобретенный фонарик, отчего бы им не воспользоваться? Жизнь показала, что они действительно вечные, работают через десятилетия после приобретения. А если вдруг пропадет электрический свет и нет свечей, минута-две тряски фонарика позволит при свете открыть бутылку минералки и дотянуться до упаковки галет.
460. Солдат-мотор – источник питания полевых радиостанций. Нужен ли он выживальщику?
