ფარადეის უმარტივესი ელექტროძრავა

ამ ელექტროძრავის სწორი სახელწოდებაა: ფარადეის უნიპოლარული (ერთპოლუსიანი) ძრავა.
მისი მთავარი ნაწილია ცილინდრული დენგამტარი (ან დაფარული დენგამტარი ფენით) მაგნიტი (აქ ნაჩვენებ ვიდეოფრაგმენტებში გამოყენებულია ( неодимовые магниты-ნიობიმური მაგნიტი).




მოსწავლეებს თავისუფლად შეუძლიათ ახსნან მისი მუშაობა: თავისუფალ მუხტებზე, რომლებიც მაგნიტის ღერძის რადიალურად მოძრაობენ მისი ფერსოსაკენ ან პირიქით, მაგნიტის მაგნიტურ ველში მოქმედებს ლორენცის ძალა, რომლის მიმართულება განისაზვრება მარჯვენა ხელის წესით. სწორედ ეს ძალა ქმნის მაბრუნებელ მომენტს.
უფრო საინტერესოა ფარადეის უნიპოლარული ინდუქტორის განხილვა.
ლენცმა ჩამოაყალიბა ელექტრული მანქანების შექცევადობის პრინციპი: პრინციპული მოწყობილობა ელექტრული ენერგიის გარდამქმნელის მექანიკურად (ელექტროძრავა) და მექანიური ენერგიის ელექტრულად (გენერატორი) ერთნაირია. ელექროძრავამ შეიძლება ითამაშოს გენერატორის როლი და პირიქით, ელექტროდინამიკური თავაკი შეიძლება გამოვიყენოთ მიკროფონად და პირიქით. თუ მაგნიტს დავაბრუნებთ თავისი ღერძის გარშემო, მასთან ერთად მოძრავ თავისუფალ მუხტებზე იმოქმედებს ლორენცის ძალა, მოხდება მუხტების განცალკევება და მაგნიტის ღერძსა და ფერსოს შორის აღიძვრება პოტენციალთა სხვაობა, ე. ი. ინდუციის ემძ. უნიპოლარული ინდუქციის მოვლენა 1831 წელს აღმოაჩინა მაიკლ ფარადეიმ. ასეთ სისტემას უწებენ ფარადეის უნიპოლარულ ინდუქტორს (გენერატორს, დინამოს), თვითონ ფარადეი მიუთითებდა არაგოს შრომებზე, რომლებიც 1825 წელს გამოქვეყნებული იყო ჟურნალში «Philosophical Transaction». თუ მბრუნავი მაგნიტის ღერძსა და ფერსოს მიუერთებთ სრიალა კონტაქტებს, მაშინ წრედში გაივლის დენი, რომელიც გალვანომეტრის საშუალებით შეიძლება აღმოვაჩინოთ. მნიშვნელოვანია აღვნიშნოთ, რომ ამ შემთხვევაში ინდუქციის ემძ-ის აღძვრა განპირობებულია არა მაგნიტის ბრუნვით, არამედ ლორენცის ძალის მოქმედებით. მაგნიტი შეიძლება დავტოვოთ უძრავად და ვამოძრაოთ გამტარი დისკი. აღიძვრება პოტენციალთა სხვაობა დისკის ცენტრსა და მის კიდეს (ფერსო) შორის. თუ ამ წერტილბს გამტარით შევაერთებთ, მაშინ მასში გაივლის დენი.
საიტერესოა აღინიშნოს: მნიშვნელობა აქვს იმას, რომ დისკს დავაბრუნებთ უძრავი მაგნიტის მიმართ, თუ მაგნიტს დავარუნებთ უძრავი დისკის მიმართ. მეორე შემთხვევაში ემძ არ აღიძვრება, თუმცა მოძრაობა ფარდობითია და თითქოს განსხვავება არ უნდა იყოს. მაგრამ მეორე შემთხვევაში არ არის თავისუფალი მუხტების მოძრაბა მაგნიტურ ველში (დისკი უძრავია მიგნიტის მაგნიტური ველის მიმართ), და არ არის მაგნიტური ნაკადის ცვლილება დისკის შიგნით აზრობრივად გამოყოფილ ნებისმიერ კონტურში (ცენტრულსიმეტრიული მაგნიტის თავისი ღერძი გარშემო ბრუვისას, ველი არ იცვლება, В ვექტორი უცვლელი რჩება ყოველ წერტილში).
ახლა გავიხსენოთ, რომ ჩვენი პლანეტა დედამიწა წარმოადგენს მბრუნავ მაგნიტს, მაშასადამე წარმოადგენს უნიპოლარულ ინდუქტორს. მისი გამტარი გარემოს თავისუფალი ელექტრული მუხტები (იონოსფეროს, ზღვების, ქანების) განიცდიან ლორენცის ძალის მოქმედებას. აღიძვრება მუხტების გლობალური გადანაწილება, გენერირდება უნიპოლარული ინდუქციის ემძ. ცხადია, რომ დედამიწაზე ეს უნდა ახდენდეს გავლენას ბუნების მოვლენებზე: კლიმატზე, ატმოსფეროში ელექტრულ მოვლენებზე. მაგრამ ამჟამად ეს რთული ურთიერთკავშირი კარგად არ არის შესწავლილი.
დიდ ენციკლოპედიურ ლექსიკონში წერია: ”უნიპოლარული მანქანები ტექნიკაში იშვიათად გამოიყენებიან, რადგან ისინი იძლევიან ძალიან დიდ დენს (100 კა), მაგრამ მცირე ძაბვას (10 ვ), ე.ი. წარმოადგენენ დენის მანქანებს. ისინი გამოიყენებიან ელექტროქიმიაში, ელექტროშედუღებისას, დამუხტული ნაწილაკების ამაჩქარებლებში, ელექტრომაგნიტების კვებისას, ლითონების ელექტრონაპერწკლური დამუშავებისას, როგორც დენის წყაროები მუდმივი დენის თხევადლითონიან ტუმბოებში და სხვ.” [Униполярная индукция // Большой энциклопедический словарь. Физика. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». Москва, 1998].
სამრეწველო უნიპოლარულ გენერატორებში გამოიყენებენ არა მუდმივ მაგნიტებს, არამედ აღგზნების ტოროიდულ კოჭებს. ექსპერიმენტულ დანადგარებში იღებენ დენის ძალას 1 000 000 ამპერამდე. უნიპოლარული გენერატორების განსაკუთრებულ ჯგუფს წარმოადგენს დარტყმითი უნიპოლარული გენერატორები, რომლებიც დამუხრუჭებისას იძლევიან ხანმოკლე ძალიან დიდ დენი იმპულსს. მაგალითად, ასეთი გენერატორით იკვებება ავსტრალიაში კანბერის უნივერსიტეტში ტოკამაკი. ასეთი მძლავრი დენის იმპულსი კარგია კვებისათვის პერსპექტიული ელექტრომაგნიტური ზემაღალი კინეტიკური ენერგიის მქონე იარეღისათვის. ეს დამუშავებები უკვე მიმდინარეობს თავდაცვით წარმოებაში. მაგალითად: აშშ-ში უარი თქვეს იარაღებში დენთის გამოყენებაზე.



Ученики вполне могут дать объяснение его работы. На свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле магнита действует сила Лоренца, направление которой находится по правилу левой руки. Эта сила и создаёт вращающий момент.
Более интересным является рассмотрение униполярного индуктора Фарадея.Ленцем был сформулирован принцип обратимости электрических машин: принципиальное устройство преобразователя электрической энергии в механическую (электродвигатель) и механической энергии в электрическую (генератор) одинаково. Электродвигатель может играть роль генератора и наоборот, электродинамическая головка может использоваться в качестве микрофона и наоборот.Если вращать магнит вокруг своей оси, то на свободные заряды, движущиеся вместе с ним, будет действовать сила Лоренца, возникнет разделение зарядов, а значит, разность потенциалов между осью магнита и его ободом, т. е. ЭДС и;ндукции. Явление униполярной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Такая система будет теперь называться не униполярным двигателем, а униполярным индуктором (генератором, динамо) Фарадея (сам Фарадей ссылался на работы Араго, опубликованные в «Philosophical Transaction», 1825 г.). Если к оси и ободу вращающегося магнита присоединить скользящие контакты, соединённные проводником, то по цепи потечёт ток, который можно обнаружить с помощью гальванометра.Важно отметить, что в данном случае возникновение ЭДС индукции не связано с изменением магнитного потока, а объясняется только силой Лоренца.Магнит можно оставить неподвижным, а вращать проводящий диск. Возникнет разность потенциалов между центром диска и его краем. Если соединить эти точки проводником, то по нему потечёт ток.
Интересно отметить: имеет значение - вращать диск относительно неподвижного магнита или вращать магнит относительно неподвижного диска. Во втором случае ЭДС не возникает, хотя, казалось бы, движение относительно, и разницы не должно быть. Но во втором случае нет движения свободных зарядов в магнитном поле (диск неподвижен относительно магнитного поля магнита), и нет изменения магнитного потока через любой мысленно выделенный контур внутри диска (при вращении центрально-симметричного магнита вокруг оси, поле не меняется, вектор В остаётся неизменным в каждой точке).
А теперь вспомним, что наша планета Земля является вращающимся магнитом, а значит, представляет собой униполярный индуктор. Свободные электрические заряды её проводящих сред (ионосферы, морей, недр) подвержены действию силы Лоренца. Возникает глобальное перераспределение зарядов, генерируется ЭДС униполярной индукции. Ясно, что это должно влиять на природные процессы на Земле: на климат, электрические явления в атмосфере. Но в настоящее время эти сложные взаимосвязи не являются хорошо изученными.
В Большом энциклопедическом словаре написано: “В технике униполярные машины используются редко, т.к. они являются токовыми машинами, т.е. дают большой ток (до 100 кА), но маленькое напряжение (1-10 В). Они применяются в электрохимии, при электросварке, в ускорителях заряженных частиц, для питания электромагнитов, в установках электроискровой обработки металлов, как источник питания жидкометаллических насосов постоянного тока и др.” [Униполярная индукция // Большой энциклопедический словарь. Физика. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». Москва, 1998].В промышленных униполярных генераторах используют не постоянные магниты, а тороидальные катушки возбуждения. В экспериментальных установках получают ток до миллионов ампер.Особый класс униполярных генераторов составляют ударные униполярные генераторы, которые при торможении дают очень большие и короткие импульсы тока. Например, от такого генератора питается ТОКАМАК в Канберрском университете в Австралии. Такие мощные импульсы тока хороши для питания перспективных электромагнитных орудий сверхвысокой кинетической энергии. Эти разработки уже ведутся в оборонной промышленности. Например: США отказались от пороха в орудиях.