Рис. 1. Схема для расчёта униполярной индукции по Тамму [3. рис. 90]

«Применим закон индукции к какому-либо контуру, проходящему по внешнему проводу AVB и по магниту, например, контуру COAVBC. В момент времени t + dt материальные точки, находившиеся в момент времени t на этом контуре, сместятся на расстояние udt и займут положение C´OAVBC. Стало быть, для определения эдс E^инд в контуре COAVBC нужно вычислить разность dΨ потоков индукции через этот контур и через контур C´OAVBC… Однако контур C´OAVBC в отличие от контура COAVBC не замкнут, так что, строго говоря, понятие потока Ψ´ через этот незамкнутый контур не является определённым» [3. с. 550].

Последняя фраза цитаты делает бесполезными все ухищрения автора, поскольку на незамкнутом контуре все уравнения индукции Максвелла теряют свой физический смысл. К тому же сам контур при вращении ротора не меняет местоположение, не говоря уже о том, что незамкнутый контур C´OAVBC перестаёт быть плоским, а значит, к нему неприменимы простые методы вычисления, использованные Таммом.

Не лучше обстоят дела и в попытках объяснения униполярной индукции с использованием силы Лоренца^[4].  Как определяет этот процесс сам автор, «ЭДС в таком индукционном микрогенераторе возникает вследствие того, что проводник пересекает линии магнитного поля с некоторой скоростью v. Назовем (для краткости) такой способ генерации ЭДС электромагнитной индукции «способом пересечения». Процесс электромагнитной индукции «с пересечением» можно схематически представить так:

пересечение → возникновение силы Лоренца → перемещение зарядов → образование ЭДС».

Однако и этот подход не даёт нужной общности описания и приводит к необходимости использовать далеко не очевидные предпосылки и построения, что хорошо видно на описании Р.В.Полем индукции в движущихся проводниках, повторённых и развитых Родиным^[2]. Схема У Р.В поля имела вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Экспериментальная и расчётная схемы индукции в движущихся проводниках по Р.В. Полю^[5]

«Здесь движком служит поверхность цилиндрического стального магнита… Скорость движения этого проводника u перпендикулярна к направлению линий поля, которые выходят из полюсных областей магнита (рис. 157 справа)… Можно сначала окружить цилиндрический стальной магнит цилиндрической латунной трубкой и вращать эту трубку вокруг оси неподвижного магнита. (Мы не обнаружим никакого напряжения, если скользящие контакты лежат неподвижно на трубке, а магнит вращается внутри неё)» [5, с. 114]. Если мы присмотримся к построению, то увидим, что для объяснения эффекта Р.В. Поль некорректно направил вектор магнитного поля перпендикулярно поверхности магнита, в то время, как в данном случае поле в данной области продольное и согласно закону силы Лоренца никакого направленного движения зарядов возникать не должно, но ток возникает. И наоборот, в случае с неподвижной латунной трубкой и вращающимся магнитом, следуя за Таммом, область между токосъёмниками должна была бы смещаться относительно микрополей магнита, а значит, ток должен возникать, но его нет. Таким образом, при движущемся цилиндре относительно неподвижного магнита, пересечение трубкой силовых линий поля по Кану есть, смещение материальных точек по Тамму тоже есть, а тока нет.

К этому следует добавить, что, как показали наши экспериментальные исследования, и в частности с контурами, индукционное взаимодействие определяется не мифическим магнитным полем, а полями эквивалентных токов, изменение влияния поля которых, вследствие изменения расстояния между ними и проводником, приводит к возникновению индукционных токов в последнем. При этом токи возбуждаются как при пересечении проводником полюса магнита, так и при его движении вдоль оси намагниченности. Это описание в общем случае не подчиняется закону силы Лоренца и тем более законам Максвелла, требующим замкнутости контура и вихревого характера самого магнитного поля.

Но вопрос о возбуждении индукционного тока при совместном движении проводника и магнита достаточно активно обсуждается и уже породил множество схем, подобных вращающемуся намагниченному шурупу или генератору на магните Сибирский Коля^[8][9]. Как считается, «ничего не стоит накрыть магнит электропроводным диском и снимать ЭДС с него, вращая магнит вместе с диском. Остается поднять трансформатором напряжение до 500 киловольт, бросить ток на ЛЭП и передать его на сотни километров. И никаких тебе противо ЭДС»^[8]. Также появилось много схем генераторов, типа генератора Капанадзе^[10][13], в котором в сердечнике с катушками создаётся переменное магнитное поле за счёт вращения диска с составными магнитами противоположной полярности над сердечниками катушки. Реально же, униполярные многовитковые генераторы сводятся к многодисковым устройствам^[14].

Чтобы уточнить физику процессов в униполярных генераторах, прежде всего, ответим на вопрос о возможности возбуждения эдс при совместном движении вторичного проводника и магнита. Для ответа на этот вопрос было поставлено три эксперимента.

В первом эксперименте диск имел вид, представленный на рис. 3.

Рис. 3. Схема диска с совмещёнными обмоткой и постоянными магнитами; на схеме: 1 – диск из изоляционного материала; 2 – обмотка, содержащая 25 витков провода, ø 0,6 мм; 3 – восемь постоянных магнитов; 4 – коллектор; скорость вращения диска 5000 об/мин.

Согласно представленной схеме, идея заключалась в том, чтобы проводники обмотки в области каждого из магнитов проходили радиально, т.е. так, как и в униполярном генераторе. Тогда, если имеет место индукция при совместном движении магнита и проводника, в данной системе должен был бы возникнуть постоянный ток. Но опыт дал отрицательный результат.

Для второго опыта были изготовлены шесть сборок из пар магнитов, показанных на рис. 4. 

Рис. 4. Схема магнитной сборки из одноименно направленных магнитов; на схеме 1 – тело диска; 2 – магниты; 3 – провода обмотки; 4 – ферромагнитные перемычки.

Общий вид диска представлен на рис. 5.

Рис. 5. Схема диска с совмещёнными обмоткой и блоками постоянных магнитов; на схеме: 1 – диск из изоляционного материала; 2 – обмотка, содержащая 25 витков провода, ø 0,6 мм; 3 – восемь блоков постоянных магнитов; 4 – коллектор; скорость вращения диска 5000 об/мин.

В этом эксперименте исследовалась возможность возбуждения эдс в радиальных участках обмотки при их расположении внутри эквивалентного магнита, образованного ферромагнитными замыканиями между двумя однонаправленными магнитами. Этот эксперимент тоже дал отрицательный результат.

Третий опыт был усовершенствованием второго. Теперь блок состоял из четырёх магнитов, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Схема магнитной сборки из одноименно направленных магнитов; на схеме 1 – провода обмотки, 100 витков провода ø 0,2 мм; 2 – магниты; 3 – ферромагнитные перемычки.

Целью данного эксперимента было выявление тока в контуре, при размере витка, равном расстоянию между центрами магнита. Общий вид диска представлен на рис. 7.

Рис. 7. Схема диска с совмещёнными обмоткой и двойными блоками постоянных магнитов; скорость вращения диска 5000 об/мин.

Этот эксперимент тоже дал отрицательный результат. Проведенные эксперименты показывают, что при совместном движении проводника и магнита индукционный ток в проводнике не возникает. Вероятна лишь поляризация внутри проводника, как в эффекте Сёрла, для чего требуются эксперименты другого типа, но при поставленных условиях задачи, «если признать, что магнитное поле связано с магнитом, то очевидно, что в объеме магнита никакая ЭДС возникнуть не может. Это тот же механизм, который отвечает за «Парадокс Геринга»: в обоих случаях электроны магнита движутся вместе с его магнитным полем, отсутствует пересечение линий поля электрическими зарядами, а, следовательно, и индукционная ЭДС. Где же генерируется ток в контуре? Ответ очевиден: там, где линии поля пересекают контур» ^[4].

В рамках концепции эквивалентных токов, данный вывод будет звучать так: ЭДС индукции возникает исключительно в случае изменения поля индуцирующих токов в области проводника, в котором эта ЭДС наводится.

С этой точки зрения, все предыдущие опыты были изучением именно униполярной индукции, поскольку в них исследовался характер ЭДС, возникающей в проводнике при изменении положения эквивалентных токов постоянных магнитов относительно него. Эти опыты подсказывают и очевидные схемы многовиткового униполярного генератора. Одна из них показана на рис. 8.

Рис. 8. схема многоконтурного униполярного дискового генератора; на схеме I – статор; II – ротор; 1 – диэлектрическая подложка (может быть и ферромагнитная подложка, покрытая диэлектриком); 2 – токопроводящее покрытие; 3 – магниты; 4 – изоляционные дорожки в проводящем покрытии.

Как можно убедиться, многовитковость в данной схеме достигается, с одной стороны, тем, что проводящий диск разделён на сегменты, в каждом из которых путь тока противоположен соседним сегментам. Именно поэтому данная схема требует чётного числа полюсов. С другой стороны, и магниты тоже сегментированы и соединены по принципу Сибирского Коли. Это приводит к возникновению переменного индукционного тока в диске, который не будет гармоническим в общем случае из-за униполярного характера его возбуждения.

Представленная схема может быть сделана как дисковой, так и цилиндрической. Проводящий слой может быть статором или ротором, может быть однослойным и многослойным с соответствующим соединением между слоями. Также оси намагниченности магнитов могут быть направлены, как показано на рисунке, так и иметь радиальную направленность. Во всех указанных случаях в проводящем слое будет возникать индукционный переменный ток. Также данная схема обратима, как и исходная схема диска Фарадея, т.е. она может быть как генератором тока, так и двигателем.

Частота генерируемого тока будет выше частоты вращения диска на половину числа полюсов. Соответственно, частота вращения двигателя будет ниже в такое же количество раз.

У данного генератора будет минимальное реактивное сопротивление за счёт значительной длины витка, но реакция генератора на нагрузку будет присутствовать. Последнее будет проявляться в размагничивании магнитов, а также в торможении диска при взаимодействии индуцируемого тока в диске с эквивалентными токами магнитов. При этом эффект размагничивания будет превалировать.

На основе этого принципа можно построить и генераторы постоянного тока, но это, в данном случае, отдельная обширная тема. В данной серии экспериментов был подвергнут экспериментальной проверке представленный принцип конструирования многовитковых униполярных генераторов. Для этого схема была несколько усовершенствована и проводящие сегменты были заменены  проводниками соответствующего расположения. Вид диска и обмотки представлены на рис. 9.

Рис. 9. Вид диска с магнитами (а) и обмотки (b) многовиткового униполярного генератора; на схеме: 1 – диск из изоляционного материала; 2 - магниты

Фактически, данная схема повторяет выше представленный эксперимент на рис. 3, с тем отличием, что магниты и обмотка разделены.

В данном эксперименте обмотка состояла из четырёх последовательно соединённых обмоток по десять витков в каждой. Кроме того был установлен узкий контур (на рис. 9b внизу справа). Он выполнял функции стробоскопа. Магниты на диски были установлены с некоторым расстоянием, чтобы продемонстрировать униполярный характер возбуждения эдс.

Совместная осциллограмма эдс в четырёх обмотках и стробоскопическом контуре представлена на рис. 10.

Рис. 10. Совместная осциллограмма эдс индукции в контуре (вверху) и на стробоскопе (внизу). Цена деления верхней осциллограммы 5 В/дел., для нижней -  0,005 В/дел. Скорость вращения диска 5000 об/мин.

Полученные осциллограммы полностью повторяют результаты, полученные в предыдущих опытах на одиночных проводниках и контурах. Также из осциллограмм видно, что частота эдс в пять раз выше частоты вращения диска.

Распределение наводимой эдс по обмоткам исследуемого контура представлено в табл. 1.

Графическая зависимость представлена на рис. 11.

Рис. 11. Графическая зависимость, возбуждаемая в одной, двух, трёх и четырёх обмотках контура

Из рис. 11 видно, что зависимость нелинейная. Более того, если мы построим график эдс, возбуждаемой в каждой обмотке, то увидим, что эта зависимость монотонно падающая.

Рис. 12. Графическая зависимость, возбуждаемая в первой, второй, третьей и четвёртой обмотках контура

Это говорит о том, что обмотки контура располагаются на разном расстоянии от диска, в связи с чем наводимая эдс в каждой более удалённой обмотке уменьшается. Тем самым подтверждается обратная зависимость наводимой эдс от расстояния между индуцирующими токами и проводником, которая была заложена исходно в моделирующую формулу.

Сравнительная осциллограмма эдс, наводимой в первой и четырёх обмотках контура, представлена на рис. 13.

Рис. 13. Сравнительная осциллограмма эдс, наводимой в первой и в четырёх обмотках контура.

Проведенная серия экспериментов показала, что

– эдс униполярной индукции наводится только при изменении расстояния между индуцирующими эквивалентными токами постоянных магнитов и проводником, в котором она индуцируется;

– индуцируемая униполярная эдс в общем случае имеет негармонический характер;

– величина эдс имеет обратную зависимость от расстояния между магнитом и проводником контура.

Литература

1. К. Б. Канн. «Парадоксы» электромагнитной индукции

2. Н. Тесла. Секреты униполярной индукции

3. И.Е. Тамм. Основы теории электричества, М., Наука, 1966

4. К. Б. Канн. «Двуликая» индукция

5. Р.В. Поль. Учение об электричестве, М., Физматгиз, 1962

6. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. Исследование индукции в контуре, возбуждаемом движущимся магнитом

7.С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. Опыт 5. Индукция продольного поля магнита

8. Власов В.Н. Величайшая Революция в Механике 2

9. Биполярный генератор Николаева - Фарадея

10. Альтернатор для генератора Автор: Админ

11. Афанасьев Юрий. Самодельный генератор

12. Расчет параметров низкооборотного 196-полюсного электрогенератора с ротором диаметром 1 метр на постоянных магнитах

13. Низкооборотный однофазный электрогенератор с дисковым ротором на постоянных магнитах (18 полюсов, 19 обмоток)

14. Принцип действия униполярной машины