Униполярный генератор (Диск Фарадея)
Что это такое?
Униполярный генератор, или диск Фарадея, — это простейшая электрическая машина постоянного тока. Он превращает механическую энергию вращения в электрическую.
Про Диск Фарадея уже много, что написано (ссылок практически не будет), но напомним - Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1-й токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска (рис. 1.).
Генератор состоит из:
- Проводящий диск (D), который может вращаться.
- Постоянный магнит (A), создающий поле, параллельное оси вращения диска.
- Два токосъёмника:
Один (m) — на оси диска.
Второй (m') — на краю диска. - Измерительный прибор, подключённый к точкам B и B'.
Как работает?
При вращении диска в магнитном поле в нём возникает ЭДС (электродвижущая сила). Ток течёт от центра диска к его краю (или наоборот, в зависимости от направления поля и вращения).
Недостаток классической схемы
Ток снимается с периферии диска, но максимальная ЭДС возникает только под полюсами магнита! На участках диска вне магнита ЭДС падает почти до нуля (Рис. 2). Поэтому в схеме на Рис. 1 результирующая ЭДС будет очень маленькой.
Современная усовершенствованная модель
Чтобы увеличить эффективность, используют кольцевой (аксиальный) магнит, охватывающий весь диск (Рис. 3). Диск может находиться между двумя такими магнитами — это повышает КПД. Главное новшество: магнит, диск и внешняя цепь могут вращаться независимо друг от друга относительно общей оси.
Парадокс "Диска Фарадея".
Рассмотрим схему на Рис. 4:
- A — магнит.
- B — диск.
- C — общая ось.
- D — внешняя замыкающая цепь (провод).
- F, G — точки токосъёма (щётки).
Все части могут вращаться относительно оси C в одном направлении и с одной скоростью.
Диск B (Рис. 3 и 4.) - токосъемник на периферии G - электрически связан с Осью C с кольцом токосъемником F. Магнит A независимо вращаются относительно Оси C. Внешняя цепь D подключена в точках F и G, и так же вращается относительно Оси C. Все, условия, вращается относительно Оси C в одном направлении и с одной скоростью.
Когда вращается Диск B то ЭДС есть. что очевидно.
Парадокс заключатся в том (смотрите Рис. 4. таблицу):
1. когда вращается Магнит A - ЭДС ℰ нет;
2. когда вращается и Магнит А и диск B - ЭДС ℰ есть;
3. когда вращается Внешняя Сеть D - ЭДС ℰ есть;
4. когда вращается и Внешняя Сеть D и Диск В - ЭДС ℰ нет.
Напомним:
При движении магнитного поля относительно проводника возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции — явление электромагнитной индукции. Это происходит из-за действия силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках, что приводит к разделению зарядов и появлению разности потенциалов между концами проводника
На Рис.5. объясняются парадоксы "Диска Фарадея".
Особенности "Диска Фарадея"
Напряжение (ЭДС) можно снимать с любых двух точек на диске (или даже на самом магните, если он проводящий!).
Величина ЭДС определяется простой формулой:
ℰ ∼ k, где k = |r₁| — |r₂| — разность расстояний точек токосъёма от оси вращения (Рис. 6).
- Если k = 0 (точки на одном радиусе) → ℰ = 0 (Рис. 6. а, в).
- Если k = R (ось и край диска) → ℰ максимальна (Рис. 6. б).
Задача.
Дано 4 Диска (Рис. 7.). Какой диск даст максимальное ЭДС ℰ при условии, что токосъёмники один находится на оси вращения, второй на периферии и все диски вращаются с одной скоростью (направление любое)?
Деформация "Диска Фарадея".
"Разрежем" Диск и Магнит (Рис. 8) до оси вращения, "развернём" до параллелограмма и свернем в кольцо, получим новый вид "Диска Фарадея" ("Кольцо Борея").
Попробуйте превратить "Кольцо Борея" в обычный генератор (Рис.9.). (Подсказка - Изменение положения токосъёмников).