Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №5 - Федорочев
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Затем эксперимент был слегка модифицирован и проводник 2 (медный эмалированный провод 0.1 мм в диаметре) был жестко закреплен на роторе. При подаче тока был зарегистрирован поворот ротора в том же направлении и, приблизительно, на тот же угол. При этом проводник 2 изгибался в направлении, противоположном направлению поворота ротора (Рис. 6). Далее участок проводника 2, длиной 20 мм, был заменен на более жесткий провод диаметром 0.5 мм, не изгибающийся при подаче тока. И в этом случае ротор повернулся на тот же угол. Анализ сил, приложенных к проводнику 2, показывает, что он должен создавать крутящий момент, противоположный направлению вращения диска, то есть, эти моменты должны компенсировать друг друга (см. Рис. 3).
Но диск поворачивается и тянет за собой проводник 2. Данный результат — нетривиальный (такая система не должна двигаться) и нуждается в объяснении.
6. Униполярный генератор с неоднородным магнитом
Конструкция (разработана автором данной статьи) приведена на Рис. 4. Кольцевой ферритовый магнит ломается и одна половина переворачивается, так, что на верхнем и нижнем торцах на одной половине S, а на другой N. На поверхности магнита (на Рис. 4 — красный/синий) закрепляется проводящий диск (на Рис. 4 — желтый). ЭДС снимается щетками 1 и 4.
Рис. 4
В данном случае, в точках 2 и 3 наводится переменная ЭДС (сигнал — близкий к синусоидальному, с амплитудой примерно ± 2 мВ).
Картина в данном случае получается значительно сложнее, чем в случае униполярного генератора с однородным магнитом, т. к. здесь могут участвовать как подвижные, так и неподвижные участки контура (проводники, соединяющие генератор с нагрузкой), т. е. вместе с лоренцевым механизмом может участвовать и фарадеев (так как dФ/dt не = 0).
Разделить эти механизмы, в общем-то, можно (даже предположив, что поле движется с магнитом согласно первой гипотезе):
• Согласно учебникам Лоренц не работает когда проводник направлен вдоль вектора скорости (или проводник и вектор скорости лежат в одной плоскости) и когда вектор В параллелен вектору скорости.
• Фарадей не должен работать в подвижной части контура (закрепленной на магните), т. к. в этом случае проводник подвижной части контура не перемещается относительно неоднородностей магнитного поля.
Т.е. если вместо проводящего диска поместить проводник (4–5) жестко закрепленный на магните (в принципе, диск работает так же — набор радиальных проводников, но для ясности лучше использовать единичный проводник, правда, возникает проблема с коллектором), то образуется контур 1-2-3-4-5 состоящий из неподвижных проводников 5–1, 1–2, 3–4 и нагрузки 2–3. В этом случае
Фарадеев механизм заведомо не работает в подвижном проводнике, а в неподвижных проводниках может наводиться и Фарадей и Лоренц (если поле движется вместе с магнитом — первая гипотеза) или только Фарадей (если поле стоит — вторая гипотеза).
В следующем эксперименте напряжение снималось не с края диска, а со щетки 6 (все электроды и щетки — немагнитные) скользящей по поверхности диска и имеющей возможность радиального перемещения (Рис. 4).
Осциллограммы сигнала, полученные на разных расстояниях от оси диска представлены на Рис. 5
Рис. 5
Сигнал, полученный при нахождении щетки на оси диска (осциллограмма а) имеет трапециидальную форму с провалами в вершине трапеции (Е = ± 2.5 мВ). Далее, по мере смещения щетки по радиусу от оси, амплитуда сигнала падает (форма остается той же), а на некотором расстоянии от оси (осциллограмма Ь) сигнал исчезает. При дальнейшем движении щетки сигнал меняет фазу и становится близким к синусоиде с амплитудой на краю диска равной ± 2 мВ (нижняя осциллограмма).
При вертикальном расположении проводника, соединяющего щетку 6 с нагрузкой форма и амплитуда сигналов несколько меняется.
В частности, сигнал, полученный при нахождении щетки на оси диска при вертикальным расположении проводника, соединяющего щетку с нагрузкой, близка к синусоидальной, а амплитуда — меньше амплитуды сигнала (осциллограмма а, Рис. 5) и составляет ± 1.5–2 мВ. По мере передвижения щетки от оси (расположение проводника — вертикальное) форма сигнала становится сглаженной трапециидальной, а амплитуда слегка увеличивается (± 2.5 мВ). Далее амплитуда быстро падает и достигает 0 на некотором расстоянии от оси диска, причем это расстояние меньше, чем в случае горизонтального проводника. Далее фаза сигнала меняется и на краю диска сигнал имеет форму близкую к синусоидальной с амплитудой ± 2 мВ — то есть сигнал становится таким же, как на осциллограмме с (Рис. 5).
Анализ результатов
Можно с достаточным основанием предположить, что в данном случае два механизма, фарадеев и лоренцев, действуют одновременно, создавая ЭДС с противоположной полярностью. В этом случае фарадеева ЭДС наводится на неподвижных участках контура — в проводнике, соединяющим щетку 6. Эта ЭДС (форма и амплитуда) сильно зависит от положения проводника 1 горизонтального или вертикального так как индукция В (и ее производная dB/dt) в местах расположения проводника в этих случаях имеет разное значение. По мере перемещения проводника фарадеева ЭДС уменьшается (за счет его выдвижения из поля магнита), а лоренцева, наводимая во вращающейся части контура (часть диска между осью и щеткой) — возрастает по мере увеличения расстояния между щеткой и осью. На расстоянии R (R2 — для вертикального проводника и R1 — для горизонтального) они компенсируют друг друга (Еф = Ел), при этом на осциллограмме видны небольшие неоднородности (< 0.5 мВ) вызванные неодинаковой формой сигналов (фарадеевого и лоренцева). Далее лоренцев сигнал преобладает, а фарадеев уменьшается практически до 0 на краю диска. Т. к. фарадеев сигнал для горизонтального проводника (расположенного у поверхности магнита) больше, чем для вертикального, а лоренцев в этих случаях один и тот же (расстояние щетки от оси диска одно и то же), то очевидно, что расстояния, где оба сигнала компенсируют друг друга будут разные (R1 больше R2).
Таким образом:
• Сигнал, снимаемый с края диска обусловлен только лоренцевым механизмом.
• Данный эксперимент может служить доказательством того, что и в униполярном генераторе с однородным магнитом (раздел 5) ЭДС наводится в диске за счет лоренцевого механизма.
7. Униполярный генератор с неоднородным магнитом и неподвижными проводниками (магнит вращается), исключающий возникновение лоренцевой ЭДС
Для разделения механизмов наведения ЭДС был проведен эксперимент, где были созданы условия, исключающие возникновение лоренцевой ЭДС.
В этом эксперименте к двухполярному вращающемуся магниту на его боковой цилиндрической поверхности был помещен неподвижный проводник 1–2 в
