Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Майкл Фарадей – изобретатель электрического мотора и первооткрыватель электромагнитной индукции (из цикла «Великие люди»)

Майкл Фарадей – изобретатель электрического мотора и первооткрыватель электромагнитной индукции (из цикла «Великие люди»)

Одним из самых выдающихся людей в истории человечества является Майкл Фарадей, великий физик-экспериментатор. Именно Фарадей изобрел ныне активно используемые во многих сферах человеческой жизни электрические моторы. Также одним из величайших открытий Фарадея является электромагнитная индукция, благодаря которой оказалось возможно получать электрический ток.

Самое удивительное, что ни о чем таком Майкл Фарадей и не мечтал. Родился он в Англии в 1791 году в бедной семье, нигде не учился. Но в четырнадцать лет ему «повезло» найти работу подмастерья у переплетчика и продавца книг. Будучи по природе любознательным Майкл Фарадей всерьез увлекся чтением.

Но важнейшим событием в жизни Фарадея стали лекции знаменитого английского ученого Гемфри Дэви, куда Фарадей пришел из любопытства, однако стал настоящим поклонником Дэви, так что даже написал ему письмо и попросился в ассистенты.

Несмотря на то, что Фарадею не хватало знаний, любопытство и смекалка приводили его к самым удивительным открытиям.

Например, датский ученый Эрстед обратил внимание на то, что стрелка магнитного компаса отклоняется, если рядом находится проволока, по которой идет электрический ток. Фарадей же пошел дальше – он зафиксировал магнит и предположил, что в этом случае проволока начнет крутиться вокруг магнита, что вскоре и доказал на опыте (1821 год).

Но несмотря на простоту открытия Фарадея, его находка оказала весьма значимое влияние на человеческую цивилизацию. Ведь в своей основе Фарадей изобрел электрический мотор. Пусть тогда еще он не знал, куда применить свое открытие, да и мощностей электричества в те времена еще явно не хватало, но все электрические моторы, имеющиеся на сегодняшний день – это потомки открытия Фарадея.

Продолжая экспериментировать и выискивая способ использования магнетизма для получения электричества, Майк Фарадей обнаружил, что пропущенный сквозь проволочную петлю магнит приводит к тому, что через проволоку начинает проходить ток (1831 год). Это открытие Фарадея позже назовут электромагнитной индукцией, а физический закон – законом Фарадея, и именно благодаря этому открытию человечество получило возможность производить электрический ток. Так что первая динамо-машина также была изобретена Фарадеем, хотя в отличие от первого своего открытия, он уже знал применение своей динамо-машины.

Помимо этих двух важнейших открытий, Майкл Фарадей изобрел прибор для разжижения газов, открыл новые химические вещества, в частности – бензол. Также Фарадей является автором двух важнейших законов электролиза (которые позже назовут его именем), а также ввел в обиход названия терминов — анод, катод, электрод и ион. Еще Фарадей открыл связь между светом и магнетизмом – пропустив через магнитное поле поляризованный свет, который на выходе поменял полярность. А его изучение свойств магнитного поля послужило отправной точкой для уравнений другого знаменитого ученого – Джеймса Максвелла, и сделал еще множество других открытий, важных для человечества.

Так любопытствующий физик-экспериментатор стал одним из самых великих людей и навсегда остался в истории человечества, известный прежде всего как первооткрыватель электромагнитной индукции и изобретатель электрического мотора.

Другие великие из цикла «Великие люди»:

Поделиться самым интересным:

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.

Содержание

  • 1 Принцип действия
  • 2 История
    • 2.1 Диск Фарадея
    • 2.2 Патенты и некоторые практические конструкции
    • 2.3 Генератор для рельсотрона
    • 2.4 Физика плазмы, МГД генераторы
    • 2.5 Астрофизика
    • 2.6 Псевдонаучное шарлатанство
  • 3 Ссылки
  • 4 См. также

Принцип действия [ | ]

В классическом представлении, на электроны, находящиеся в диске, действует сила Лоренца:

F = q ( E + [ v × B ] ) =qleft(mathbf +[mathbf times mathbf ]right)> (в СИ)

В режиме холостого хода (без нагрузки), генератор создаёт на выходных контактах напряжение U x x > . При этом электроны в цепи не движутся [1] , поэтому сила Лоренца, записанная ранее, равна нулю [2] . Но второе слагаемое [3] в силе Лоренца, пропорциональное векторному произведению напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником, не равно нулю. Получается, первое слагаемое компенсирует второе. В результате, при вращении диска возникает напряжённость электрического поля, которую можно рассчитать, выразив её из уравнения для силы Лоренца:

E x x = − Ω ⋅ r ⋅ B > =-mathbf cdot mathbf cdot mathbf > (в СИ)

где Ω ⋅ r cdot mathbf > это угловая скорость помноженная на радиус (расстояние от оси диска до рассматриваемого участка диска), то есть это линейная скорость рассматриваемого участка диска. Чем дальше от оси вращения, тем больше напряжённость электрического поля в рассматриваемом участке диска.

Разность потенциалов, или, иначе говоря, напряжение, интегрируется из напряжённости. Получается: U x x = Ω R 2 B 2 = mathbf ^<2>mathbf ><2>>> в вольтах, где R это радиус диска.

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.

Читать еще:  Что такое оборотные двигатели

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 же удивление 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.

магнитдисквнешняя цепьесть ли напряжение?
неподвиженнеподвиженнеподвиженотсутствует
неподвиженвращаетсянеподвиженЕсть
неподвиженнеподвиженвращаетсяЕсть
неподвиженвращаетсявращаетсяотсутствует
вращаетсянеподвиженнеподвиженотсутствует
вращаетсявращаетсянеподвиженЕсть (!)
вращаетсянеподвиженвращаетсяЕсть
вращаетсявращаетсявращаетсяотсутствует

Униполярная индукция – релятивистский эффект, в котором ясно проявляется относительный характер деления электромагнитного поля на электрическое и магнитное. [4]

Патенты и некоторые практические конструкции [ | ]

  • 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 ) разработал конструкцию, в которой вращались на параллельных осях два диска в разных по направлению магнитных полях связаные металлическим ремнём.
  • В 1989 году в Австралии действовал униполярный генератор, вырабатывавший ток 1500 кА при напряжении 800 В.

Генератор для рельсотрона [ | ]

Такие положительные свойства униполярных генераторов, как простота, надёжность и стоимость, проявляются в основном в применениях, где необходимо получить низкие напряжения (порядка 10 вольт) при высоком токе. [5] Одним из таких применений стал генератор для рельсотрона. Так, по инициативе Марк Олифанта, в австралийской национальной лаборатории был построен крупный униполярный генератор, ставший надёжным источником мегаамперных импульсов для рельсотрона, а позже он использовался в токамаке LT4 для возбуждения плазмы. [6]

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»), а также утверждение о том, что в униполярных генераторах отсутствует обратная ЭДС, противодействующая вращению при замыкании тока через нагрузку.

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

Также муссируется буквальное («однополюсный») понимание неверно применённого 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.

Диск Фарадея — в чем секрет генератора

Дата публикации: 15 октября 2019

  • Краткая летопись гениальной задумки
  • Принцип действия и применение
  • Что можно сделать самостоятельно

Простой, но не до конца изученный диск Фарадея — занимательное устройство. И оно заслуживает внимания. Этот униполярный генератор умеет при низком напряжении производить большой ток, а также выделять большое количество энергии.

Краткая летопись гениальной задумки

После открытия закона электромагнитной индукции путем многочисленных экспериментов Майклу Фарадею удалось изобрести и первый генератор. Простая установка наглядно демонстрировала трансформацию механической энергии в электрическую. Незатейливая конструкция представляла собой медный диск, который вращался между полюсами постоянного магнита.

Ее недостатки заключались в больших потерях и возникновении противотоков. Устройство признали неэффективным, но не забыли. Много лет ученые пытались модернизировать генератор Фарадея.

Один из значимых примеров такого усовершенствования — разработка Николы Теслы. В ней параллельные диски разделялись металлическим ремнем, что уменьшало потери на трение и значительно повышало эффективность прибора.

Читать еще:  Бизнес по тюнингу двигателей

В 1950-е годы обнаружилась полезность униполярного генератора Фарадея в импульсных силовых установках. Выяснилось, что он умеет аккумулировать энергию длительный период и молниеносно ее выделять. Появились масштабные разновидности конструкций. Одна из них, созданная Майклом Олифантом, прослужила 20 лет и выдавала ток до 2 МА. Ее элементы выставлены как памятник.

Прототипы изобретения прошли долгий путь. И назывались по-разному. До сих пор инженеры, ученые работают и улучшают производительность устройства. В качестве одного из подходов к таким трансформациям они пользуются численным электродинамическим моделированием.

Принцип действия и применение

Принцип работы диска Фарадея заключается в следующем. Когда он вращается, на электроны вдоль радиуса действует сила Лоренца. Она возникает в результате напряженности магнитного поля плюс скорости перемещения самого электрона и проводника. Между краем и центром диска при этом производится ЭДС.

В чем отличие этого генератора от похожих машин:

  • ЭДС и внутреннее сопротивление низкие, а ток большой;
  • получаемый ток равномерный, его не нужно коммутировать с коллектором ротора или применять внешние приборы для выпрямления полученного другими аппаратами тока;
  • по диску протекают обратные токи, которые его бесполезно нагревают, что приводит к существенным собственным потерям.

Последняя проблема не полностью, но решается, если в конструкции по периметру диска присутствует жидкий проводящий токосъемник. Лучшие результаты показывает устройство, где два диска вращаются навстречу и касаются друг друга.

То, как устроен генератор Фарадея с диском, и сочетание всех свойств обуславливает его использование в специфических условиях: когда малое напряжение, но необходимо получение постоянного тока большой величины. Или нужен мотор, который работает от мощных аккумуляторов с малым напряжением (автомобили, тракторы). Простой, надежный и дешевый прибор нашел применение и в рельсотроне.

Интересный факт: в некоторых звездных системах наблюдаются «копии» опытов ученых. Астрофизики имеют возможность следить за природными магнитными полями и проводящими дисками из плазмы. Уже есть предпосылки для использования энергии космоса человеком.

Что можно сделать самостоятельно

Тем, кто неравнодушен к миру физики и электроники, наверняка захочется смастерить генератор Фарадея своими руками. Пусть это будет фонарик, независимый от источников питания.

Его изготовление требует наличия:

  • медицинского шприца (20 мл);
  • дрели;
  • изоленты;
  • светодиодов;
  • проволоки;
  • неодимовых магнитов;
  • паяльника с флюсом и припоем;
  • клея;
  • проволоки;
  • пары проводов;
  • картона.

На корпус от шприца устанавливаем два картонных кольца, приклеиваем их. Наматываем проволоку электродрелью — делаем катушку. Прикрепляем резиновую прокладку.

Зачищаем, залуживаем выводы, припаиваем к ним провода, фиксируем изолентой. К проводам присоединяем диоды и отправляем в шприц магниты. Подробнее показано в видео.

При совершении возвратно-поступательных движений в катушке возникнет ЭДС, выработается ток, который запитает диоды. Простейшую самоделку можно усовершенствовать, чтобы ток накапливался, а свечение было постоянным. Для чего на выводы нужно установить ионистор или конденсатор.

Кто знает, вдруг после таких простейших опытов кто-нибудь все-таки сконструирует вечный двигатель, источник бесплатной энергии или пока неизвестный человечеству прибор.

  • Возобновляемый водород на Большом острове
  • Солнечный кооператив помогает перейти на зеленую энергию
  • 2015-02-25: Результаты и прогнозы развития энергетики
  • Возобновляемые источники энергии в национальном парке «Онежское Поморье»

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Изоляторы и вращатели Фарадея EOT: устройство и принцип работы

Введение

Вредное воздействие оптической обратной связи на лазерные диоды и осцилляторы известно достаточно давно, оно вызывает частотную нестабильность, релаксацию колебаний, усиление стимулированного излучения, в некоторых случаях повреждает оптические приборы.

С развитием лазерных технологий необходимость в защите устройства лазеров от влияния эффектов обратной связи возросла. Изоляторы Фарадея полностью пропускают свет, распространяющийся в одном направлении, и подавляют любое излучение, распространяющееся в противоположном. Таким образом устраняются эффекты оптической обратной связи. Рис. 1 и 2 демонстрируют этот факт.

Рисунок 1. График шума

На рис. 1 показан график шума, смещенный на 60 кГц от фактической частоты лазера с синхронизацией мод из-за отражений от поверхности стекла без покрытия. Излучение шума соответствует релаксационным колебаниям в лазере, возникающим из-за остаточной обратной связи. Рис. 2 иллюстрирует эффективность изоляторов Фарадея в устранении этой проблемы.

Рисунок 2. Сигнал, полученный после установки изолятора Фарадея

По сути, изолятор — это вращатель поляризации Фарадея. Вращатель поляризации представляет собой оптически неактивное вещество (в основном вращатели изготавливают из редкоземельных материалов), к которому прикладывают магнитное поле. Эффект, проявляющийся в виде вращения плоскости поляризации проходящего излучения с сохранением состояния самой поляризации, называется эффектом Фарадея. Угол поворота рассчитывается по формуле:

(1)

где θ — угол поворота плоскости поляризации, V — константа Верде магнитооптического материала, Hz — продольная компонента магнитного поля, z — длина магнитооптического материала.

Принцип работы изолятора Фарадея

Изолятор Фарадея состоит из трех частей: входного поляризатора, вращателя Фарадея, полуволновой пластинки и выходного поляризатора (анализатора). Оси поляризаторов повернуты относительно друг друга на 45 о . Пояснение к схеме на рис. 3: пусть ось первого поляризатора принята за 0 о , ось второго — за 45 о . Свет распространяется в прямом направлении, после прохождения через входной поляризатор будет линейно поляризован вдоль оси 0 о . Затем пучок попадает во вращатель Фарадея, плоскость поляризации поворачивается на 45 о , и свет беспрепятственно проходит через второй поляризатор. Если свет будет распространяться в обратном направлении (см. рис. 4), то после второго поляризатора его плоскость поляризации будет наклонена на 45°. Так как направление поворота не зависит от направления распространения света, вращатель Фарадея повернёт плоскость поляризации на +45°. На первый поляризатор свет попадет поляризованным вдоль оси 90° и будет поглощен.

Читать еще:  Двигатель aee технические характеристики

Рисунок 3. Схема оптического изолятора: свет распространяется в прямом направлении

Рисунок 4. Схема оптического изолятора: свет распространяется в обратном направлении

Широкополосные оптические изоляторы для титан-сапфировых и прочих перестраиваемых лазеров

Широкополосные оптические изоляторы разработаны специально для таких приложений оптических технологий, как, например, создание отдельных изолирующих усилителей в цепях с титан-сапфировыми усилителями. Благодаря широкополосному диапазону, такие изоляторы позволяют мгновенно перестроить диапазон лазерного излучения. Стандартные изоляторы способны обеспечить высокую изоляцию и передачу только в узком диапазоне длин волн, шириной от 30 нм до 40 нм.

Общий диапазон пропускания широкополосных изоляторов составляет порядка 250 нм. Для расширения диапазона можно использовать дополнительные инструменты, но в таком случае потребуются некоторые ручные манипуляции: перемещение вращателя Фарадея в магнитном поле или настройка поляризаторов для компенсации изменения угла поворота.

Использование дополнительных инструментов, безусловно, расширит диапазон длин волн изолятора, однако эффективность всей системы практически не изменится. На рис. 5 показана передача и изоляция, достигнутая с помощью широкополосных изоляторов с центральной длиной волны 800 нм. Анализируя эти кривые и производя оценку, можно сформулировать следующее: в определенной конфигурации данный изолятор Фарадея может обеспечить изоляцию > 30 дБ и передачу свыше 70% одновременно в очень большом диапазоне длин волн.

Рисунок 5. Кривые эффективности изолятора Фарадея: пропускание и изоляция в зависимости от длины волны

Принцип работы широкополосных изоляторов

Широкий диапазон оптических изоляторов обусловлен компенсацией дисперсии во вращателе Фарадея. Дисперсия компенсируется с помощью кварцевого вращателя, установленного после вращателя Фарадея.

Направление вращения плоскости поляризации в ротаторе Фарадея зависит от направления магнитного поля, а направление вращения в кварцевом вращателе зависит от направления света, распространяющегося через него. При использовании кварцевого оптического вращателя с дисперсией, аналогичной дисперсии во ​​вращателе Фарадея, и выравнивании вращателя Фарадея и вращателя поляризации на основе кварца таким образом, что вращение поляризации обратно отраженного света происходит в противоположных направлениях, изолятор Фарадея становится независимым от длины волны. Если вращатель Фарадея и кварцевый вращатель развернуты на 45° относительно друг друга (см. рис. 6) и имеют одинаковую дисперсию, то в прямом направлении плоскость поляризации развернется на 90°, в обратном поворот составит 0°. На рис. 7 показан обратный ход света, проходящего через широкополосный изолятор.


Рисунок 6. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в прямом направлении

Рисунок 7. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в обратном направлении

Дисперсия в ультрабыстрых титан-сапфировых лазерах, уравнение Селмейера для генерации третьей гармоники

В фемтосекундных титан-сапфировых лазерах уширение импульса, вызванное дисперсией во вращателе Фарадея, является серьезной проблемой. Ниже приведено уравнение Селмейера для тербий-галлиевого граната:

(2)

Основные оптические компоненты изолятора Фарадея

Оптика вращателя Фарадея: главным элементом изолятора, очевидно, считается магнитооптическое вещество во вращателе. Основной характеристикой магнитооптического вещества является достаточно высокая постоянная Верде: данная константа проявляется в виде низких коэффициентов поглощения и нелинейного показателя преломления, а также высокого порога повреждения. Кроме того, для предотвращения самофокусировки и других нежелательных эффектов (в том числе термических), оптический элемент должен быть как можно более компактным. Наиболее часто используемый магнитооптический материал для диапазона 650 — 1100 нм — это тербий-галлиевый гранат (TGG). Иногда применяется боросиликатное стекло, легированное тербием.

На производительность изолятора Фарадея серьезно влияют поляризаторы. Они должны иметь высокий порог повреждения, коэффициент затухания и иметь сниженные потери при передаче. В изоляторах диапазона от 1010 нм до 1080 нм используются оптически сопряженные кубические поляризаторы из плавленого кварца.

Коэффициент изоляции

В основном коэффициент изоляции определяется двумя факторами: коэффициентом затухания поляризационных пластин и вращающей оптики, а также радиальной однородностью ротатора Фарадея. Радиальная однородность — угол поворота поперечного сечения вращающей оптики. Следующее уравнение определяет коэффициент изоляции I.R. через коэффициент радиальной однородности вращателя Фарадея. Вращатель помещен между поляризаторами, коэффициент затухания которых ≥ 10-5 для гауссова пучка:

(3)

здесь I.R. — коэффициент изоляции в зависимости от радиальной однородности.

(4)

где a — радиус чистой апертуры, w — энергия гауссова пучка (по уровню интенсивности 1/e 2 , радиус пучка r составляет 2/3 радиуса чистой апертуры), β(r) — радиальное изменение вращения (угол поворота вдоль оси θ(r) — θ).

Порог импульсного повреждения

Порог импульсного повреждения вращателей поляризации рассчитывается для каждой длительности импульса отдельно. Часто применяется так называемый метод Т-масштабирования.

Порог импульсного повреждения ротаторов диапазона 1010 — 1080 нм и широкополосных вращателей: 10 Дж/см 2 (τ/10 нс) 1/2 , где τ — требуемая ширина импульса.

© Electro-Optics Technology, Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции EOT на территории РФ

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector