Фарадеев механизм, тангенциальная индукция и электромашины, основанные на этом принципе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фарадеев механизм, тангенциальная индукция и электромашины, основанные на этом принципе

Ивченков Геннадий, к.т.н.

Проведена серия экспериментов по детальному исследованию фарадеевой индукции и сил, возникающих в тангенциальных проводниках в случае движения носителя магнитного поля, результатом чего явилось создание электрогенераторов, вырабатывающих большую часть энергии за счет “тангенциальной индукции”. Проведена серия экспериментов по определению физической сущности фарадеевой индукции, которая позволила, в частности, доказать абсолютность движения носителя поля, как необходимое условие фарадеевой индукции.

Проведен анализ возможности нахождения фарадеевой ЭДС для отдельного элемента проводника. Проведен анализ возможности получения “свободной энергии” в электромашинах.

магнитный поле генератор ток

1. Возможность разделения механизмов наведения ЭДС

1.1 Силовое взаимодействие тангенциальных проводников с магнитным полем

Как было отмечено в Части 1, униполярный генератор не является “вечным двигателем”, то есть машиной не создающей тормозящий момент при нагружении обмотки статора, так как нагрузочный ток, протекающий по радиальному проводнику (диску) создает момент, направленный в сторону, противоположную вращению, что является характерной особенностью всех лоренцевых электромашин.

Тормозящий момент может отсутствовать только в том случае, когда нагрузочный ток течет в проводнике, направленном тангенциально по вектору линейной скорости вращательного движения проводника в магнитном поле (см. ниже по тексту). Схема для случая вращающегося в магнитном поле кольцевого проводника приведена на Рис.

В случае движения проводника в однородном поле действует только лоренцев механизм (фарадеев не работает, так как ). В проводнике, размещенном по окружноси (тангенциально), наводится радиальноя лоренцева ЭДС, направленная поперек проводника. Для тонкого проводника эта ЭДС очень мала. При этом продольная ЭДС в тангенциальном проводнике отсутствует. Предположим, что в проводнике течет ток I. Согласно закону Ампера, на проводник будет действовать сила F, и эта сила будет направлена по радиусу к центру или от центра - в зависимости от направления

Рис.тока, при этом безразлично, вращается ли проводник относительно поля или стоит. Так как эта сила проходит через центр вращения, то она не создает вращающий момент, а только сжимает или растягивает кольцевой проводник. Это значит, что ротор, которым в данной конструкции является кольцевой проводник, не вращается.

В неоднородном по окружности поле, созданным, например, вращающимся составным магнитом, приведенным на Рис. 7 (Часть I), силы приложены к тангенциальному проводнику также по радиусу и, тоже, не создают крутящего момента, то есть тангенциальные проводники не тормозятся! Таким образом, магнитное поле, вызванное нагрузочным током не тормозит ротор, состоящий из тангенциальных проводников и появляется возможность выработки электричества без тормозящего момента.

1.2 Фарадеев и лоренцев механизмы в случае движения проводника и носителя неоднородного магнитного поля (составного постоянного магнита) относительно друг друга

Механизмы наведения ЭДС и силового взаимодействия для случаев движения проводника относительно однородного поля (униполярный генератор и мотор) были подробно рассмотрены в Части I. Как было выяснено, в этом случае работает только лоренцев механизм.

Теперь же рассмотрим случаи относительного движения проводника и носителя неоднородного магнитного поля:

· Проводник движется, носитель поля стоит.

· Проводник стоит, носитель поля движется.

Тут надо отметить, что если проводник движется (вращается) в неоднородном по окружности поле () или носитель неоднородного поля движется, а проводник стоит, то такое движение вызывает одинаковое изменение напряженности магнитного поля во времени в месте расположения проводника. В первом случае движущийся проводник проходит через области с градиентом В, во втором напряженность магнитного поля меняется во времени в месте расположения неподвижного проводника.

Тут можно предложить две гипотезы:

1. В проводнике, в том числе и в тангенциальном (кольцевом) будет наводиться фарадеева ЭДС и в том и в другом случаях - то есть эти случаи равноправны.

2. Фарадеева ЭДС наводится только в случае движения неоднородного носителя поля, то есть во втором случае. Следовательно, в случае движущегося проводника и неподвижного носителя наводится только лоренцева ЭДС, которая, вследствии неоднородности поля, через которое проходит проводник, будет переменной.

Вопрос о том, какая из гипотез правильная является принципиальным, так как первая гипотеза основана на относительном движении, а вторая - на абсолютном.

Получается, что если верна вторая гипотеза, то фарадеева ЭДС наводится только в случае движения носителя неоднородного поля.

В целях проверки этих гипотез автором были проведена серия экспериментов, побочным результатом чего явилось создание ряда электромашин, использующих эффект “тангенциальной индукции”.

Забегая вперед, можно отметить, что эксперименты, по всей видимости, подтвердили вторую гипотезу.

1.3 Возможность разделения ЭДС, наведенной лоренцевым и фарадеевым механизмами

Как было сказано в Части I, фарадеев и лоренцев механизмы индукции часто сложно идентифицировать, то есть определить, где наводится лоренцева, а где фарадеева ЭДС. Это, например, относится, к случаю относительного движения проводника и носителя поля, так как формулы для лоренцевой и фарадеевой ЭДС в этом случае совпадают (см. раздел 1.3.1.3. Часть I). Например, ЭДС, вырабатываемая простейшим генератором постоянного тока (рамка, вращающаяся между двумя магнитами) может быть определена как по Фарадею, так и по Лоренцу. Также, в некоторых случаях (см раздел 2.4 ниже по тексту) эти два механизма индукции могут работать одновременно, что вызывает затрудения в определении истинного источника ЭДС (это относится только к ЭДС; как было показано в Части 1, силовое взаимодействие определяется только лоренцевым механизмом).

Но, все же, можно создать условия, при которых только один из механизмов индукции, лоренцев или фарадеев, участвует в наведени ЭДС. Классическими примерами является униполярный генератор (лоренцева ЭДС) и трансформатор (фарадеева ЭДС). В сомнительных случаях для определения истинного источника ЭДС можно воспользоваться характерными особенностями формы сигнала U(t), выработанным этими механизмами.

Например:

· Форма сигнала (ЭДС), наведенная за счет движения проводника относительно неравномерного магнитного поля (лоренцева ЭДС), полностью повторяет функцию распределения напряженности поля В вдоль движения проводника (и совпадает по фазе).

· Форма электрического сигнала, наведенного за счет движения носителя неравномерного магнитного поля относительно проводника (фарадеева ЭДС), представляет собой дифференцированную функцию распределения напряженности В вдоль направления движения носитель поля - проводник (со знаком минус). Вследствии этого, электрический сигнал и функция распределения В сдвинуты по фазе на 3/2 р.

Действительно, для случая вращательного движения и синусоидального распределения напряженности поля , ЭДС , наводимая в движущемся проводнике будет равна:

,

где .

Это значит, что график ЭДС, наведенной в лоренцевых машинах полностью повторяет форму и совпадает по фазе с функцией распределения напряженности В вдоль направления движения проводника.

В случае же фарадеева механизма (для случая того же синусоидального распределения), ЭДС , наводимая в контуре площадью S (один виток) будет равна:

,

где .

Таким образом, электрический сигнал и функция распределения В сдвинуты по фазе на 3/2 р.

Обращаясь к классической электротехнике, необходимо вспомнить, что абсолютно такой же механизм (фарадеев) действует в случае проводника (катушки) с текущим в нем переменным током, который вызывает изменение магнитного поля в месте расположения проводника и, таким образом, наводит в нем ЭДС самоиндукции, сдвинутую на 3/2 р относительно исходного тока. Если активное и реактивное сопротивления катушки равны (см. учебник по электротехнике), то активный (исходный) и реактивный (вызванный самоиндукцией) токи равны по амплитуде и суммарный ток сдвинут на ј р, а его амплитуда больше в амплитуды исходного тока.

Следовательно, анализируя форму электрического сигнала, можно отделить ЭДС, наведенные этими двумя механизмами, друг от друга.

Кроме того, эти особенности лоренцевой и фарадеевой ЭДС позволяют утверждать (что, вобщем-то, очевидно ):

· Фарадеева ЭДС может быть только переменной, так как для получения постоянного тока необходимо, чтобы . Совершенно очевидно, что Ф возрастать до бесконечности не может и, так или иначе, производная должна поменять знак и, таким образом фарадеева ЭДС может быть только переменной.

· Лоренцева же ЭДС по форме полностью повторяет зависимость (при постоянной скорости движения проводника). То есть, лоренцева ЭДС может быть как переменной, так и постоянной (униполярный генератор).

2. Тангенциальный электрогенератор с неоднородным магнитом и неподвижными проводниками (магнит вращается), исключающий возникновение лоренцевой ЭДС

2.1 Взаимодействие вращающегося магнита с проводниками, расположенными по окружности (тангенциальными проводниками)

В исследованной конструкции в качестве ротора использовался составной магнит, приведенный на Рис. 7 (часть I). Кольцевой ферритовый магнит ломается и одна половина переворачивается, так, что на верхнем торце на одной половине S, а на другой N.

В этом эксперименте у такого двухполярного вращающегося магнита на его боковой цилиндрической поверхности был помещен неподвижный проводник 1 - 2 в форме полупетли, который плотно прилегал к цилиндрической поверхности магнита и, при этом, скользил по ней (Рис. 2).

Рис. 2

Как можно видеть (и было отмечено выше по тексту), лоренцова ЭДС, направленная вдоль проводника не наводиться так как проводник направлен вдоль вектора скорости ( // , а направлена по радиусу, то есть поперек проводника).

В то же время, в эксперименте была зарегистрирована переменная ЭДС. Осциллограмма сигнала приведена на Рис. 3.

Рис. 3 (полупетля спереди).

ЭДС, наведенная в проводнике 1-2 (осциллограмма 1 на Рис. 3) имеет форму достаточно близкую к синусоидальной с амплитудой ± 7 мВ (частота 17 Гц). При распрямении петли (проводник 3 - 4) сигнал становится по форме близким к трехугольнику. Амплитуда при этом уменьшается до ± 5 мВ (осциллограмма 2 на Рис. 3).

Далее, полупетля была помещена с другой стороны магнита . Полярность, форма и амплитуда измеренного сигнала оказались такими же, как и для передъидущего случая

Затем, две полупетли были соединены в полную петлю с выводами, расположенными по диаметру (Рис. 4).

Полярность, форма и амплитуда измеренного сигнала оказались такими же как и для передъидущего случаев (полупетля спереди или сзади, см. Рис. 2).

После этого, петля была увеличена в диаметре (центр петли совпадал с центром магнита). В этом случае неподвижная петля не скользила по магниту, а отстояла от его некоторое расстояние. Полярность сигнала при этом осталась прежняя, форма сигнала существенно сгладилась, еще более приблизившись к синусоидальной, а амплитуда сигнала упала с ± 7 мВ непосредственно на цилиндрической поверхности магнита - 35 мм от оси - до ± 3.5 мВ на расстоянии 44 мм от оси.

В следующем эксперименте скользящая петля была заменена на проводящее кольцо жестко закрепленное на вращающимся магните, а сигнал снимался щеткам, расположенными по диаметру. Полярность, форма и амплитуда сигнала

Рис. 4 оказались точно такими же, как и в предыдущих случаях.

2.2 Взаимодействие вращающегося магнита с неподвижными радиальными проводниками

При исследовании “тангенциальной индукции” возникает вопрос, а какой вклад вносят радиальные проводники, соединяющие полукольцо (кольцо) с нагрузкой, ведь в них также может наводиться ЭДС. То есть формально можно предположить, что измеренная в полукольце (кольце) ЭДС на самом деле наводится во внешнем контуре, в частности, в радиальных соединительных проводниках. Для ответа на этот вопрос была проведена серия экспериментов.

В этих экспериментах у поверхности составного вращающегося магнита (примененного в предъидущем эксперименте) были расположены неподвижные проводники (Рис. 5), при этом измерялось наведенная в них ЭДС. Ось, на которой вращался магнит была сделана из проводящего немагнитного никелевого сплава.

Рис. 5

Были получены следующие результаты (осциллограммы приведены на Рис.20):

Рис. 6

· Е 35 примерно = 0 (если проводники 3 и 5 лежат в плоскости оси, ).

· При повороте проводника 3 на малый угол (в плоскости диска) появляются пики противоположной полярности (верхняя осциллограмма ). Далее сигнал приобретает вид изломанной пилы и при повороте проводника 3 на 180 градусов в позицию 2 () приобретает вид трапеции с провалом в середине (средняя осциллограмма). Амплитуда импульсов порядка ± 5 мВ, частота 17 Гц (для 1000 о/мин). При полном прилегании проводника к поверхности вращающегося магнита Е = 0 в месте провала. По мере удаления проводника от поверхности магнита, провал исчезает и форма импульсов становится трапецеидальной.

· Далее, с целью магнитной экранировки ось была пропущена через отверстие в стальной плите (см. Рис. 5). Сигнал снимаемый в точках 2 и 6 () полностью повторяет по форме сигнал , но его амплитуда примерно (в пределах погрешности) в два раза меньше - ± 2.5 мВ (нижняя осциллограмма). При этом его форма и амплитуда никак не зависят от поворота проводника 2. При перемещении проводника 2 вверх по оси ( в позицию 1) сигнал сглаживается, превращаясь вначале в сглаженную трапецию, а потом в синус и резко уменьшается по амплитуде - на расстоянии порядка 5 см от диска он близок к 0.

· Кроме того, если сверху или снизу от магнита протянуть проводник 8 - 9 (желательно ближе к поверхности магнита, см. Рис.19) проходящий через центр магнита, то на нем наводится ЭДС, форма и амплитуда сигнала такие же как у (± 5мВ - трапеция с провалами). При этом безразлично, где протянут проводник, сверху или снизу.

· E47 не превышает 0.5 мВ.

· Положение внешней части контура - соединительные проводники и нагрузка - практически не влияет на форму и амплитуду сигнала (если расстояние от проводников до магнита превышает 4 - 5 см). При этом, внешняя часть контура может быть расположена как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях.

Таким образом:

· При расположении проводников в плоскости оси на одинаковом расстоянии от поверхностей магнита (проводники 3 и 5) ЭДС наводимые в верхнем и нижнем проводниках компенсируют друг друга.

· Конструкция нижней части контура - вертикальная ось проходящая через отверсти в стальной плите обеспечивает практически полную магнитную экранировку нижней части контура. Следовательно, в нижней части оси и проводнике 6 не наводится ничего.

· Величина и форма наводимой ЭДС очень сильно зависит от конфигурации поля и его напряженности в месте расположени проводника. Суммарный магнитный поток, Ф = У(B S), охватываемый контуром (и его изменение) на ЭДС не влияет никак. Более того, при перемещении проводника 2 вверх по оси Е должно возрастать т.к. контур охватывает большую площадь, а этого не наблюдается, наоборот Е убывает.

2.2.3 Механизм наведения ЭДС в полукольце и радиальных проводниках

Для определения механизма наведения ЭДС в проводниках, был проведен дополнительный эксперимент, в котором определялась фаза ЭДС, снимаемой с полукольца и радиального проводника. Для этого оба этих проводника были подсоединины ко входам 1-го и 2-го каналов двухлучевого осциллографа. Схема эксперимента представлена на Рис. 7.

Рис. 7

Осциллограммы сигналов 1-2 (полувиток) и 1-3 (радиальный проводник) также приведены на Рис. 7.

На осциллограмме видно, что сигналы и находятся в противофазе, а удаление радиального проводника U3-1 сглаживает сигнал, превращая его в трапецеидальный. При этом амплитуда сигнала существенно падает.

Полученный результат имеет практическое применение, так как позволяет создать многообмоточный статор, состоящий из полукольцевых и радиальных проводников.

Кроме того, он позволяет прояснить механизм наведения ЭДС в данном случае.

Графики распределения напряженности поля магнита и ЭДС, наведенной в полупетле и радиальном проводнике, полученные экспериментально (см. выше), представлены на Рис. 8.

Как видно из Рис. 8, окружное распределение вертикальной (перпендикулярной плоскости диска) составляющей напряженности поля имеет трапецеидальную форму (график А), в то время, как функция распределения горизонтальной составляющей представляет собой импульсы противоположной полярности (график С), сглаживающиеся в “дальней зоне” по мере удаления проводника от магнита. На графиках B и D представлены осциллограммы электрических сигналов - ЭДС наведенной в полупетле и радиальном проводнике. При этом, графики этих ЭДС смещены на 90 градусов относительно друг друга. Расположение проводников, соединяющих концы 1, 2 и 3 с нагрузкой (входом осциллографа) никак не влияет на амплитуду, форму и фазу сигналов.

Так как напряжение, наведеннное в проводниках пропорционально (согласно формуле Фарадея , считая ), то анализируя графики A, B, C и D на Рис. 8

Рис. 8 можно видеть, что что ЭДС в полукольце (тангенциальном проводнике) и радиальном проводнике наводится разными составляющими магнитного поля. При этом, ЭДС в полупетле U2-1 наводится за счет изменения вертикальной составляющей магнитного поля при движении магнита относительно проводника, в то время, как ЭДС в радиальном проводнике U3-1 наводится за счет горизонтальной составляющей . То есть, U2-1 наводится, как бы, в горизонтальном контуре, а U3-1 - в вертикальном. При этом, U2-1 максимально при прохождении середины полупетли через плоскость раздела двух половинок магнита, а U3-1 проходит через нуль при прохождении радиального проводника через плоскость раздела двух половинок магнита. Так как угловые положения середины полупетли и радиального проводника сдвинуты на 90 градусов, то сигналы U2-1 и U3-1 находятся в противофазе.

3. Многообмоточный тангенциальный электрогенератор с неоднородным вращающимся магнитом и неподвижной катушкой

3.1 Конструкция генератора

Конструкция этого генератора является практическим приложением выводов, сделанных в предъидущих разделах.

Так как ЭДС, наводимая в полукольцах имеет одинаковую полярность, то соединив полукольца встречно можно увеличить ЭДС в N раз, где N - число полуколец.

В данном случае витком является контур 2-1-3 (Рис. 7). ЭДС, наведенная в таком витке складывается из U2-1 и U3-1.

Таким образом, появляется возможность создать многовитковый электрогенератор, в котором большая часть ЭДС наводится а окружных проводниках за счет “тангенциальной индукции”. Один из вариантов конструкции такого генератора приведен на Рис. 9.

Рис. 9.

Как можно видеть на Рис. 9, статорная обмотка такого генератора состоит из полуколец и радиальных проводников (на Рис. 9 изображен статор с двумя витками). Фотография статора, содержащего 460 полувитков, помещена на Рис. 10.

Были испытаны макеты такого генератора с разным количеством полувитков. Схема соединения полувитков приведена на Рис. 9.

Ротор генератора был выполнен из ферритового магнитного кольца 70х30х10 мм с Br = 0.274 Тл, которое было разломано пополам и одна половина перевернута.

Первый макет содержал 120 полувитков (83 мм в диаметре) и развивал ± 0.6В в режиме холостого хода, что подтверждает идеи, высказанные в разделах 5 и 6 и заложенные в данной конструкции. При этом, ЭДС, наводимая в одном полукольце, была равна ± 3.5 мВ мВ (ЭДС

Рис. 10 очень сильно зависит от индукции В в месте расположения проводника, составляя ± 7 мВ на поверхности магнита и резко уменьшаясь с увеличением диаметра витка). Помещение катушки в тонкий пермаллоевый цилиндр увеличивало ЭДС холостого хода до ± 0.75 В. Максимальная ЭДС наводилась тогда, когда плоскость полуколец совпадала с горизонтальной плоскостью симметрии магнита (середина между двумя торцами магнита, см. Рис. 9). При этом, радиальные соединительные проводники были расположены на расстоянии 45 мм от полколец (полувитков) и, в каждом из них наводилась ЭДС ± 1.5 мВ.

По мере углубления магнита в катушку (плоскость полуколец выше плоскости магнита) возрастало влияние радиальных проводников и уменьшалось влияние полуколец и в случае, когда радиальные проводники были приближены вплотную к нижней плоскости магнита, величина ЭДС уменьшилась примерно в 3 раза (до ± 0.15 В) и сигнал приобрел характерную трапециидальную форму.

Установка тонкого пермаллоевого диска между магнитом и радиальными проводниками (ближе к проводникам) практически полностью их магнитно экранирует, наводимая в них ЭДС была практически равна 0, а ЭДС, снимаемая с генератора уменьшалась до 0.48 В.

Другой макет, фотография статора которого приведена на Рис. 10, содержал 460 полувитков (ЭДС снимаемая с одного полувитка была равна ± 3.5 мВ мВ).

Напряжение, развиваемое генератором в режиме холостого хода составило ± 2 В с магнитно неэкранированными радиальными проводниками и 1.6 В с экранированными.

Согласно расчетам, при увеличении скорости вращения ротора до 2000 об/мин, уменьшении воздушного зазора между цилиндрической поверхностью магнита и обмоткой и замене ферритового магнита на NdFeB, напряжение снимаемое во втором случае (обмотка с 460 витками) будет составлять порядка 40 В.

Здесь надо отметить, что, формально, данная конструкция статора (многовитковая) может быть представлена как две обмотки, содержащие N витков каждая и расположенные на противоположных сторонах двухполюсного магнита. Таким образом (опять же, формально) в каждой обмотке периодически меняется магнитный поток и, таким образом, наводится ЭДС в соответствии с законом Фарадея. Но, как было указано выше, этот подход не отражает истинный механизм работы этого генератора, так как основная ЭДС производится полувитками независимо от других элементов контура, которые могут быть легко исключены из этого процесса, например, магнитным экранированием. В то же время, согласно закону Ампера, ток, протекающий в полувитках не создает тормозящего момента.

Кроме того, испытания данного многообмоточного генратора дали однозначный ответ на вопрос поднятый в разделе 2.2.2 о влиянии внешнего контура на ЭДС, наводимую в “тангенциальных проводниках”. Таким образом, по результатам этих испытаний можно утверждать, что внешний контур не влияет никак и измеренная в полукольцах ЭДС (раздел 2.2.1) действительно наводится в “тангенциальных проводниках” - полукольцах, а не в соединительных проводниках и внешнем контуре.

3.2 Генератор “сибирский коля”

Насчет генератора “сибирский коля”, разработанного С. Мариновым.

Схема генератора взята из статьи [26].

Рис. 11

Нетрудно видеть, что схема генератора напоминает схему генератора тангенциальной индукции, приведенную выше в предъидущем разделе на Рис. 9, в котором вращающийся составной магнит, аналогичный приведенному выше, наводил ЭДС в неподвижном кольце. Отличие заключается в том, что генератор “сибирский коля” имеет два неподвижных кольца. В них, согласно С. Маринову, наводятся ЭДС, направленные в одну сторону, но разные по величине, так как они расположены на разном расстоянии от магнита. Если соединить эти кольца радиальными проводникам, то в них потечет ток.

Автор данной статьи может полностью подтвердить эти предположения. В частности, эксперименты с полукольцами, проведенные автором (см. раздел 2.3.1), показали, что ЭДС в полукольцах зависит от расстояния до магнита. В частности, для ферритового магнита, использованного в экспериментах, амплитуда переменной ЭДС, наведенной в кольце, прилегающем к магниту составляет 7 мВ, а на расстоянии 5 мм от края магнита 3,5 мВ. Таким образом, напряжение между кольцами составит порядка 3,5 мВ.

Очевидным недостатком конструкции генератора “сибирский коля” является невозможность сделать его многовитковым. В то же время, автору данной статьи удалось решить эту проблему путем соединения полувитков в обмотку радиальными проводниками (раздел 2.3.1, Рис. 9).

3.3 Генератор “московский гена”

Этот генератор разработан автором данной работы и является дальнейшим развитием многовиткового генератора тангенциальной индукции, описанного в разделе 2.3.1. Название генератору было дано автором данной работы в подражание С. Маринову и отражает место обитания и имя его автора (правда, Маринов назвал его не в честь себя, а в честь сибирского ученого Г. Николаева).

Схема генератора приведена на Рис.26А. В нем (US Patent [18]) удалось избавится от радиальных проводников, соединяющих полувитки и существенно упростить конструкцию статорной обмотки.



Рис. 12

Как можно видеть на Рис. 12A, генератор содержит составной ротор, содержащий два составных кольцевых магнита, подобных примененным в конструкции, описанной в разделе 2.3.1. При этом магниты развернуты так, что половинки магнитов в дисках, обращенных друг к другу имеют одинаковую полярность и, соответственно, отталкиваются друг от друга. Многовитковая статорная катушка имеет эллиптическую форму и расположена таким образом, что верхняя точка эллипса находится рядом с “осью циркуляции” верхнего магнитного диска, а нижняя точка эллипса - рядом с “осью циркуляции” нижнего магнитного диска. В предьидущей же модификации этого генератора полукольца располагались в плоскости “осей циркуляции” и соединялись в обмотку вертикальными проводниками (Рис. 12B). Анализ работы генератора показал, что наклонная эллиптическая катушка полностью заменяет полувитки и вертикальные проводники, при этом наводимая ЭДС остается прежней.

Генератор, приведенный на Рис. 12а, может быть выполнен многофазным с несколькими обмотками, при этом оси эллипсов должны быть смещены на 120 градусов для 3-х фазного генератора. Обмотки в этом случае могут быть включены обычным способом - звездой или треугольником.

Испытания генератора показали, что он выдает синусоидальное напряжение, при этом напряжение, снимаемое с 20-и витков составило 0.14 В (то есть, порядка ± 3.5 мВ с полувитка). При уменьшении технологического зазора между обмоткой и ротором, напряжение, вырабатываемое генератором можно увеличить примерно вдвое.

Можно видеть, что ЭДС в данном генраторе наводится в тангенциальных полукольцах, аналогично генератору, приведенному в разделе 2.3.1, а, также в вертикальных проводниках. Момент сопротивления создается силой, приложенной к вертикальным проводникам.

3.4 Некоторые замечания по поводу “свободной энергии”

Поиск источников “свободной энергии”, или, выражаясь проще, “вечного двигателя” является “сверхзадачей”, то есть, древней мечтой физиков и инженеров (догматики не учитываются), также, как “философский камень” для химиков, гомункулус и “элексир молодости” для биологов или “священный грааль” для монахов и мистиков.

Другой мечтой, может быть, менее значимой, чем “вечный двигатель”, но, также, очень важной, является нахождения принципа “безопорного движения”, нарушающего 3-й закон Ньютона.

Все эти идеи считаются неосуществимыми и в течении 300 лет постоянно опровергаются учеными. Известно, также, что во Франции патенты на “вечный двигатель” вобще не рассматриваются уже 200 лет.

Но в последнее время, в связи с истощением природных источников энергии, отношение к “вечным двигателям” изменилось. Программы, направленные на нахождение путей извлечения “свободной энергии” сейчас финансируются на уровне правителства, в частности, в Японии. На восклицания “маститых ученых”: “Но послушайте! Ведь это же запрещено законами природы!” японцы отвечают: “У нас страна маленькая. Нефти нет. Нам это очень нужно.”.

По поводу “вечного двигателя” автор уже высказал свое мнение в части I.

Коротко повторюсь: энергии “из ничего” не бывает, но возможно ее извлечение из еще не открытых источников. Сейчас даже самый “маститый” из ученых догматиков не может утвердительно сказать, что все источники энергии известны. Наиболее неизведанная область, где могут находиться эти источники - это фундаментальные основы пространства и материи, названные в разное время эфиром, “физическим вакуумом”, “темной материей и энергией”. Что это такое, не знает никто, делаются только догадки. Но наиболее близкими к этим фундаментальным основам являются поля - электрическое, магнитное и гравитационное. Таким образом, изучая природу этих полей, в частности, магнитного, можно добиться прорыва в открытии неизвестных пока источников энергии.

К сожалению, существующая теория электромагнетизма полностью себя исчерпала и из двигателя, которой она, вобщем-то, была в 19-ом и в начале 20-го века, превратилась в тормоз, в окостенелую догму. Дальнейшее применение этой “теории” с ее математическим аппаратом приводит к появлению уродцев, типа “векторного потенциала”, и большого количества нестыковок ее с практикой. Знакомство с трудами современных “теоретиков электромагнетизма” свидетельствует об их окончательной трансформации в догматиков и шарлатанов. Вместо радикальной ревизии теории электромагнетизма на основе огромного количества накопленного экспериментального материала, ее, теории, физических и математических основ, они продолжают, как корова жвачку, “жевать” формулы столетней давности, пытаясь выжать из них что-то. Но кроме очередного абсурда не получается ничего (и не получится)!

Впрочем, история это старая. Еще Тесла “выслал далеко” всех этих “теоретиков” с их “теорией” (кстати, со времен Теслы теория электромагнетизма почти не претерпела изменений) и изобрел современную электротехнику!

Таким образом, к сожалению, только эксперимент и его правильный анализ (подчеркиваю, правильный) могут разорвать этот заколдованный круг.

3.5 “Свободная энергия” и электрогенераторы

При анализе работы генраторов на предмет возможности выработки свободной энергии, необходимо анализировать моменты, приложенные к ротору за счет токов нагрузки, протекающих в статоре.

При анализе же работы генраторов на предмет возможности безопорного движения (вращения), необходимо анализировать моменты, приложенные к статору за счет его токов нагрузки.

Согласно 3-му закону Ньютона для вращательного движения, для замкнутых систем. Также должен соблюдаться закон сохранения момента количества движения . В ненагруженном генераторе замкнутой системой является источник вращения и ротор (момент трения в подшипниках не учитывается). Это значит, что ненагруженный статор не связан с ротором и раскручивание ротора не вызывает реакции статора. При протекании же токов нагрузки в статоре, он оказывается связан с ротором за счет момента вызванного взаимодействием магнитных полей ротора и статора, что вызывают его вращение в направлении, противоположном ротору, а если статор закреплен, то это взаимодействие создает соответствующий момент сопротивления, направленный противоположно направлению вращения ротора и пропорциональный току нагрузки. Следовательно, источник вращения (мотор, турбина и т.п.) должен поддерживать этот момент за счет вырабатываемой им, источником, мощности. Так соблюдается в данном случае закон сохранения - сколько энергии выработал электрогенератор, столько же должен выработать мотор (без учета потерь).

Как уже было указано в части I, униполярный генератор не является “вечным двигателем” из за торможения ротора за счет сил Ампера (лоренцевых сил) возникающих при протекании тока нагрузки в роторе (диске). При этом, к статору, которым в случае униполярного генератора является однородный кольцевой магнит, не приложены никакие силы и моменты, какой бы нагрузочный ток не протекал. Но, тем не менее, ротор тормозится. Возникает вопрос, кому передается момент. Ответ ясен - конечно, магнитному полю статора. Но это поле никак механически не связано с носителем - кольцевым магнитом. В случае униполярного мотора ротор раскручивается при прохождении тока по диску (магнит неподвижен), но его момент никак не передается опоре, на которой закреплен магнит и источник питания (трение в подшипниках и щетках не учитывается; впрочем, оно будет только увлекать опору в направлении вращения ротора).

В то же время, в фарадеевых генераторах сопротивление возникает только за счет силы Ампера, возникающей за счет взаимодействия тока нагрузки с магнитным полем генератора и являющейся проявлением лоренцева механизма.Таким образом, в тангенциальных проводниках фарадеевых электрогенераторов наводится ЭДС, а при протекании по ним нагрузочного тока возникают только силы Ампера, направленные по радиусу и не создающие крутящий момент. В случае “генраторов тангенциальной индукции”, приведенных в данной работе, тангенциальными проводниками ротора являются “оси циркуляции” половинок магнита или эквивалентного вращающегося электромагнита. То есть, взаимодействие магнитного поля, создаваемого статором с тангенциальными “осями циркуляции” ротора не создает тормозящий момент на роторе.

В то же время, взаимодействие магнитного поля, создаваемого статором под нагрузкой, с радиальными “осями циркуляции” ротора вызывает тангенциальные силы и, соответственно, тормозящий момент на роторе. Таким образом, в “тангенциальных генераторах” торможение создается только частью обмотки в которой вырабатывается меньшая часть электричества, в то время, как в лоренцевых машинах ЭДС и амперова сила неразделимы и, при этом ЭДС вырабатывается в тех же проводниках, в которых возникают силы Ампера и создается момент сопротивления.

Здесь надо отметить, что в известных фарадеевых электромашинах, таких, например, как синхронные генераторы также есть тангенциальные (направленные вдоль вектора скорости) проводники, но в многополюсных машинах доминируют проводники, перпендикулярные вектору скорости (в которых при нагрузке как раз и создается сила Ампера). Соответственно, можно в первом приближении предположить, что отношение длин тангенциальных и радиальных проводников определяет долю электроэнергии, выработанной за счет “свободной энергии”. Таким образом, фарадеевы электромашины, такие, например, как синхронные генераторы, вероятно могут вырабатывать часть энергии за счет “свободной энергии”, но в существующих машинах эта доля мала и может маскироваться потерями на трение, потерями в сердечнике и т.п.

Таким образом, экспериментальное сравнение электрической мощности, выработанной генератором и мощности, потраченной на преодаление сопротивления ротора может дать ответ, вырабатывает ли данная электромашина электричество за счет “свободной энергии” или нет. Наиболее подходящей в данном случае является схема мотор-генератор, но такой эксперимент требует создания генератора с малыми (калиброванными) потерями на трение и, кроме того, раскручивающий его электромотор (у маломощных электромоторов обычно низкий КПД, не превышающий 70%) тоже должен иметь калиброванный КПД, иначе результаты будут недостоверными. Здесь необходима точность измерения, достаточная для достоверного определения эффекта (или установления его отсутствия), так как тангенциальный генератор не может вырабатывать 100% энергии за счет “свободной энергии”.

Эксперименты по измерению стартового момента инвертированного тангенциального генератора (работающего как мотор), проведенные автором с помощью крутильных весов показали, что силовое взаимодействие в случае тангенциального генератора осуществляется за счет радиальных проводников. При этом существует довольно большая нейтральная зона (порядка 60 градусов) в середине половинок магнита (или между радиальными проводниками у статора), что вызвано удалением от радиальных проводников в этом месте. Таким образом, мотор из тангенциального генератора получится плохой, с провалами момента на участках, равных примерно 120 градусам. Зависимость момента от угла поворота будет выглядеть, примерно, как график D на Рис. 8. И в то же время, генератор вырабатывает синусоидальное напряжение.

Надо отметить, что измерения момента в данном случае были весьма неточными (точность измерения ЭДС намного выше), так как крутильные весы являются довольно капризным устройством, требующим, в частности, успокоения (иначе они превращаются в крутильный маятник).

3.6 Анализ результатов. Фарадеева ЭДС отдельного проводника

В данных экспериментах лоренцев механизм однозначно не участвовал в создании ЭДС , направленной вдоль проводников 1 - 2. Следовательно, за ЭДС наведенную в тангенциальном проводнике (“тангенциальная индукция”) ответственен фарадеев механизм, но, как было отмечено в части I, в современной теории электромагнетизма отсутствует принцип и формула, описывающие наведение фарадеевой ЭДС для каждого отдельного проводника.

Здесь надо отметить, что формально, согласно формуле Фарадея, ЭДС в кольце вобще не должна наводиться, так как суммарный магнитный поток, пересекающий кольцо при вращении магнита не меняется. Действительно, суммарная ЭДС в кольце равна нулю. Но это происходит не потому, что ЭДС принципиально не может наводится в этом случае (когда ), а из за компенсации двух противоположно направленных ЭДС, которые наводятся в элементах контура - полукольцах. Это полностью подтверждает предположение, что, в случае фарадеевой индукции, ЭДС независимо наводится в отдельных проводниках контура.

Кроме того, основываясь на проведенных экспериментах, можно с достаточным основанием предположить, что в случае фарадеевой индукции ЭДС может не только независимо наводиться в отдельных проводниках контура, но и, кроме того, для каждого проводника она может быть индуцирована разными составляющими магнитного поля. Все это дополнительно свидетельствует от том, что в современном электромагнетизме отсутствует полное понимание механизма фарадеевой индукции, а формула Фарадея является интегральной и описывает только частный случай. А так как эта формула входит в систему уравнений Максвелла, то становится ясна ее, системы уравнений Максвелла, ограниченная применимость (что, кстати, отмечал и сам Максвелл). В частности, уравнения Максвелла не работают в ближней зоне передающей радио антенны.

Кстати, возвращаясь к гипотезе движения поля вместе с носителем, формально возникновение ЭДС в радиальном проводнике можно было бы объяснить лоренцевым механизмом (хотя, как было показано в части I, это предположение является неверным, так как лоренцев механизм работает только при движении проводника). Но в этом случае график ЭДС, наведенной в нем имел бы форму трапеции и полностью повторял форму графика ( график 1 на Рис. 8), что не соответствует реальной форме сигнала. В частности, этот подход не объясняет характерную дифференциальную форму сигнала и провалы, соответствующие середине секции магнита с (см. Рис. 7). Следовательно, это объяснение не является корректным. В то же время, если проводник вращается относительно неподвижного составного магнита, то в нем должна наводиться лоренцева ЭДС.

4. Индукция при движении проводника и неоднородного магнита относительно друг друга

4.1 Униполярный электрогенератор переменного тока

Как было отмечено в предъидущем разделе, в случае движения проводника относительно носителя магнитного поля в нем должна наводиться лоренцева ЭДС вне зависимости от того, однородный это магнит или нет.

Для проверки этого предположения был испытан генератор, аналогичный униполярному, описанному в части I, но в котором однородный магнит был заменен на составной (Рис. 7, часть I). Схема его приведена на Рис.

Рис. 13

В этой конструкции магнит и проводящий диск (фольгированный стеклотекстолит) были установлены на одной оси. Сигнал снимался двумя щетками, одной (1) - подсоединенной к проводящей оси, и другой (6) - контактирующей с проводящей поверхностью диска и имеющей возможность перемещения по радиусу. В предельном случае вторая щетка снимала сигнал с края диска (точка 4)

Были испытаны три варианта:

1. Магнит неподвижен, диск вращается.

2. Диск неподвижен, магнит вращается.

3. Магнит жестко закреплен на диске и вращается вместе с ним.

4.1.1 Рассмотрим вариант 1, когда диск вращается, а магнит стоит.

Напряжение снимается щетками, одна из коротых помещена на оси (позиция (1), см. Рис.27), а другая (4) - на краю диска. Щетка (4) имеет возможность перемещаться по окружности диска и по радиусу.

Осциллограммы сигнала приведены на Рис. 14.

Рис. 14 тангенциальных проводниках.

Как совершенно очевидно из осциллограмм, приведенных на Рис. 14, этот генератор является чисто униполярным и вырабатывает постоянную ЭДС (порядка 5 мВ) за счет лоренцева мезанизма. По мере перемещения шетки по окружности (осциллограмма U3), сигнал уменьшается, становится равным нулю когда щетка находится в плоскости, разделяющей две половины магнита (где В переходит 0) и снова возрастает, но с противоположной полярностью, когда щетка переходит на другую половину магнита. Если измерить напряжение между двумя щетками, находящимися на диаметрально противоположных концах диска, то оно равно сумме U1 и U2 (10 мВ). Кстати, такая конструкция униполярного генератроа позволяет удвоить его напряжение.

Далее была проверена возможность наведения ЭДС в

Для этого диск (Рис. 14) был заменен проводящим кольцом с центром совпадающим с центром магнита. При этом, кольцо вращалось (магнит неподвижен), а ЭДС снималось двумя щетками, помещенными по диаметру кольца. Как показал эксперимент, сигнал отсутствует и ЭДС в тангенциальном проводнике в случае неподвижного магнита не наводится.

Кроме того, в таком варианте лоренцевой электромашины возможно создание многообмоточного ротора, так как в тангенциальном проводниках не наводится лоренцева ЭДС. Пример схемы такого генератора и осциллограмма сигнала приведены на Рис. 15.

Рис. 15

Для обмотки, состоящей из 4-х витков амплитуда сигнала составила порядка 20 мВ. Анализ работы этого генератора показывает, что ЭДС наводится в радиальных проводниках за счет лоренцева механизма и амплитуда сигнала равна нулю, когда проводники секции обмотки движутся по одной половине магнита. Если же секция обмотки будет охватывать 180 градусов (а не 90, как на рисунке), то форма сигнала будет близка к синусоидальной.

Кстати, простейший электрогенератор постоянного тока из учебников для средней школы (схема здесь не приводится, так как всем хорошо известна), состоящий из двух неподвижных магнитов S и N и вращающейся рамки также вырабатывает напряжение за счет лоренцевого механизма, при этом ЭДС наводится в переферийных проводниках, пересекающих магнтные силовые линии и не наводится в радиальных проводниках, проходящих через центр вращения рамки и находящихся в плоскости магнитных силовых линий.

Таким образом, можно предположить, что все генераторы с неподвижными постянными магнитами (или неподвижными электромагнитами), в частности, большенство генераторов постоянного тока, вырабатывают напряжение за счет лоренцева механизма.

4.1.2 Рассмотрим вариант 2, когда магнит вращается, а диск стоит

Рис. 16 проводниками

Сигнал, снимаемые в этом случае с оси и края диска является синусоидальным с амплитудой примерно 3 мВ, а перемещение шетки вдоль окружности ничего не меняет. Если подсоединить щетки к краям диска, находящимися на диаметрально противоположных концах диска, то сигнал остается синусоидальным, а амплитуда возрастает в два раза ( 5 - 6 мВ), В этом случае можно предположить, что ЭДС вырабатывается за счет “тангенциальной индукции” - фарадеева механизма - в кольце, которым является переферия диска, то есть такой генератор похож на генератор, рассмотренный в предъидущих разделах, который состоит из вращающегося магнита, и неподвижного кольца (см раздел 2.2.1) а сигнал снимается с двух диаметрально противоположных точек на кольце (см. Рис. 4). Правда, в данном случае это не кольцо, а диск - то есть, фактически, кольцо, соединенное с центром радиальными

Схема протекания токов в роторе такого генератора представлена на Рис. 16. Это значит, что ротор такого генератора закорочен и по радиальным проводникам также протекает ток. В этом случае, если одна из щеток соединена с проводящей осью диска, то амплитуда такого сигнала будет в два раза меньше, что и подтверждается экспериментом.

Далее, схема эксперимента была изменена и сплошной диск был заменен на проводящее кольцо, соединенной в одной из точек с проводящей осью посредством радиального проводника (Рис. 17).



Рис. 17 генераторы

В этом случае сигнал Uab (порядка 3 мВ, так как кольцо отстояло от поверхности магнита на 5 мм дальше, чем диск на Рис. 13) наводится в кольце за счет тангенциальной индукции, а сигнал Uao (порядка 5 мВ) является суммой ЭДС, наводимой в кольце (полукольце) и радиальном проводнике. Можно видеть, что эта схема повторяет схему тангенциального генератора, подробно рассмотренного в разделе 2.2.

Фактически, в данном случае магнит во время вращения периодически меняет напряженность магнитного поля в месте расположения неподвижной катушки в витках которой за счет фарадеева механизма вырабатывается ЭДС.

Тогда можно предположить, что электрогенераторы с вращающимся магнитом (ротором) вырабатывают напряжение за счет фарадеева механизма. К таким генераторам, в частности, относятся синхронные , где ротором (якорем) является вращающийся электромагнит, питаемый постоянным током через коллекторные кольца.

4.1.3 Рассмотрим вариант 3, когда проводящий диск жестко закреплен на вращающемся магните

Этот вариант является наиболее сложным для анализа, так как можно ожидать одновременного действия двух механизмов - фарадеева и лоренцева.

Осциллограммы сигнала U2-5, снятого щеткой (позиция 6 на Рис. 8) на разных расстяниях от оси, и сигнала U2-3, снятого с края диска, приведены на Рис. 11.

Рис. 18

Осциллограмма (1) получена для случая, когда щетка (6) находится на оси, а осциллограмма (3) для случая, когда сигнал снимается с края диска.

Картина получается следующая: сигнал снимаемый с центра диска и оси (щетка (1) расположена на расстоянии порядка 5 см от магнита, где, как показывают предъидущие эксперименты, идукция в соединительном проводнике пренебрежимо мала) имеет характерную трапецеидальную форму с провалом в середине, похожую на форму сигнала , приведенную на Рис. 7. По мере удаления щетки (6) от центра диска, амплитуда сигнала уменьшается, и нанекотором расстоянии от центра диска (оси) он исчезает (осциллограмма (2) на Рис. 18). Далее сигнал появляется, но с противоположной фазой, его форма сглаживается и на краю диска становится близкой к синусоиде (осциллограмма (3)).

Анализируя поведение амплитуды и формы сигнала, можно предположить следующее:

Для случая (1), когда щетка (6) расположена в центре диска, в неподвижном соединительном проводнике 5-6 наводится фарадеева ЭДС (порядка 5 мВ), аналогичная , наведенной в радиальном проводнике. Более того, форма сигнала зависит от расположения проводника 5-6, и при приближении проводника к поверхности вращающегося магнита, амплитуда немного возрастает, а провалы увеличиваются - то есть проводник 5-6 является полным аналогом радиального проводника 1-3 (Рис. 7), а, точнее, его половины, соединенной с осью.

Когда щетка (6) удаляется от центра диска, на участке 6-7 наводится лоренцева ЭДС, противофазная фарадеевой, наведенной в неподвижном проводнике 5-6 и которая вычитается из нее. На некотором расстоянии от центра диска (оси) амплитуды сигналов становится одинаковыми и они компенсируют друг друга. Суммарный сигнал становится равным нулю и остаются только незначительные всплески, связанные с разной формой фарадеева и лоренцева сигналов (осциллограмма (2)).

Когда щетка (6) находится на краю диска можно предположить, что фарадеев сигнал (вычитаемый их лоренцевого) наводится только в соединительных проводниках. Как показали предъидущие эксперименты, фарадеева ЭДС, наведенная во внешних проводниках мала (< 1 мВ) и она практически не сказывается на амплитуде и форме суммарного сигнала. Таким образом, можно было предположить, что ЭДС (порядка 3 мВ), снимаемая с края диска наводится только за счет лоренцева механизма, так же, как в униполярном генераторе. Правда, в связи с тем, что магнит составной с меняющейся полярностью, эта ЭДС - переменная.

Для проверки этого предположения был проведен дополнительный эксперимент с отдельно вращающимися диском и магнитом. При этом, диск начинал вращаться сразу, а магнит, закрепленный со скольжением, постепенно набирал обороты (за счет трения) до тех пор, пока скорости диска и магнита не сравнивались. Таким образом, эксперимент фактически повторял описанный выше (вариант 1, Рис. 9), только щетка стояла на месте, а магнит мог вращаться. Полученные осциллограммы сигнала были похожи на приведенные на Рис. 14. Таким образом, при неподвижном магните вырабатывалась постоянная ЭДС (U1 на Рис. 9). При медленном вращении диска сигнал начинал менять полярность в соответствии с вращением магнита (U3 на Рис. 14), далее частота сигнала возрастала, амплитуда незначительно падала, а фаза сигнала не менялась Когда скорости сравнивались, сигнал становился таким же, как Е23 на Рис. 11, при этом амплитуда сигнала заметно падала по сравнению с амплитудой постоянного сигнала U1 на Рис. 9 с 5 до 3 мВ.

Очевидно, что в данном случае, в радиальных проводниках вырабатывается только лоренцева ЭДС (напряженность поля в месте расположения радиальных проводников не меняется, так как они жестко закреплены на магните).

Тогда уменьшение суммарной ЭДС (с 5 до 3-х мВ при разгоне магнита) может быть объяснино компенсирующим действием ЭДС, вырабатываемой в данном случае на переферии диска за счет фарадеева механизма (см. предъидущий раздел). В этом случае наводится “тангенциальная ЭДС”, равная порядка 2 мВ (если измерять между осью и щеткой, но без учета радиальных проводников - см. предъидущий раздел 2.4.1.2), которая и вычитается из лоренцевой ЭДС, вырабатываемой в радиальных проводниках движущегося диска.

...