Диск Фарадея

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Диск Фарадея, первый униполярный генератор

Принцип действия

Основная статья: Униполярная индукция

На электроны, находящиеся в диске, действует Сила Лоренца, являющаяся векторным произведением напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником в результате вращения диска. Сила эта направлена вдоль радиуса диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем.

В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет:

• чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе;
• равномерность получаемого тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами;
• большие собственные потери энергии из-за протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким проводящим токосъёмником по всему периметру диска;

Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов.

История

Диск Фарадея

В 1831 году Майкл Фарадей, открыв закон электромагнитной индукции, помимо прочих экспериментов, построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую — диск Фарадея. Это было чрезвычайно неэффективное устройство, однако оно имело значительную ценность для дальнейшего развития науки.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался. Наибольшее удивление же вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается следующей таблицей, в которой описаны различные комбинации из вращения и неподвижности частей установки, и восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый - возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита.

магнит	диск	внешняя цепь	есть ли напряжение?
неподвижен	неподвижен	неподвижен	отсутствует
неподвижен	вращается	неподвижен	Есть
неподвижен	неподвижен	вращается	Есть
неподвижен	вращается	вращается	не определено
вращается	неподвижен	неподвижен	отсутствует
вращается	вращается	неподвижен	Есть (!)
вращается	неподвижен	вращается	Есть
вращается	вращается	вращается	не определено

Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся теорией относительности.

Патенты и некоторые практические конструкции

Основная статья: :en:List_of_homopolar_generator_patents

• Charles E. Ball (US238631; March 1881), en:Sebastian Ziani de Ferranti, en:Charles Batchelor получили самые ранние известные патенты на конструкции униполярных генераторов.
• Никола Тесла (U.S. Patent 406,968 (англ.)) разработал конструкцию, в которой вращались на параллельных осях магнитный и проводящий диск.

• В 1989 году в Австралии дейтсвовал униполярный генератор, вырабатывавший ток 1500 кА при напряжении 800 В.

Физика плазмы, МГД генераторы

Астрофизика

Наиболее существенной сферой современного применения представления об униполярном генераторе является астрофизика. В ряде звёздных систем в космосе наблюдаются природные магнитные поля и проводящие диски из плазмы, поведение которых как бы повторяет опыты Фарадея и Теслы.

Псевдонаучное шарлатанство

Данный тип электрических машин неоднократно использовался для построения вечного двигателя, источника даровой энергии и тому подобных мистификаций.

Наиболее известна история так называемой "N-машины" Брюса де Пальма (2 октября 1935 – октябрь 1997), который декларировал, что в его конструкции произведённая диском Фарадея энергия будет в пять раз больше, чем затраченная на его вращение. Однако в 1997 году, уже после смерти Брюса де Пальма, построенный экземпляр его машины был официально испытан с отрицательным результатом. Произведённая энергия рассеивалась в виде тепла, и величина её не превышала затраченной.

Основой для таких спекуляций служит неверное понимание известного «парадокса Фарадея» и представление о том, что разрешение этого «парадокса» кроется в каких-то особых полях и свойствах пространства (например, «торсионных»).

Также встречаются конструкции «униполярных генераторов» и двигателей, авторы которых рекламируют колоссальный выигрыш по сравнению с традиционными электрическими машинами.

Также муссируется неверно применённый к данному классу устройств термин «униполярный» (homopolar). На самом деле эти устройства следовало бы правильнее называть «устройствами однородного магнитного поля, постоянного тока и некоммутируемого соединения ротора», так как в прочих электрических машинах используется и/или неоднородное магнитное поле и/или переменный ток и/или коммутация частей обмотки ротора.

Дополнительные сложности при объяснении работы униполярных электрических машин вызывает представление о движении носителей заряда, электронов, в частности термин «скорость». Во-первых, сразу возникает вопрос о том, скорость относительно чего мы рассматриваем в данном случае. Во-вторых, ознакомление невнимательного энтузиаста со специальной теорией относительности может привести его к запутывающему жонглированию понятиями «наблюдатель», «скорость» и тому подобными.

Ссылки

• И. Е. Тамм. Основы теории электричества. § 112
• Физическая энциклопедия, т.5, стр.224, стр.225, статья «Униполярная индукция», авторы Г. В. Пермитин, Ю. В. Чугунов.

См. также

• Униполярная индукция
• Из-за принципа обратимости электрических машин возможен и униполярный электродвигатель.