Картинка — YouTube-каналы Marb's lab, Science Exxience

Среди генераторов особняком стоит одно устройство, которое лежит в основе современных электрогенерирующих динамо-машин — так называемый диск Фарадея.

Несмотря на ряд недостатков, он обладает несколькими достаточно впечатляющими характеристиками:

• крайне просто устроен, что позволяет проводить эксперименты по самостоятельной постройке такого устройства практически любому желающему;
• сразу генерирует постоянный ток без каких-либо выпрямителей;
• при достаточно малом выходном напряжении (может быть скорректировано, об этом ниже) может потенциально генерировать огромные токи (до миллиона ампер и более), что позволяет использовать его в качестве источника питания для мощной электросварки (сразу сваривающей даже бруски металла) и рельсотронов (над этим типом питания, в частности, работала американская DARPA), заменяя собой батарею конденсаторов.

В описании ниже рассматривается потенциально весьма мощное электрогенерирующее устройство, самостоятельная работа с которым может быть опасной для жизни и здоровья. Автор статьи ни к чему не призывает и ничего не гарантирует, вся информация статьи даётся исключительно в познавательных целях.

Первая версия такого устройства была построена Майклом Фарадеем в 1831 году и выглядела как токопроводящий диск из меди, в своём вращении проходящий сквозь неподвижный подковообразный магнит.

Современная реплика подобного устройства показана ниже:

Как уже говорилось выше и как можно видеть из приведённого видео, такое устройство может генерировать достаточно малое напряжение, типичное значение которого измеряется долями вольта или десятками вольт в случае небольших устройств, в то время как большие лабораторные устройства могут генерировать и напряжения в сотни вольт (это не строго; ниже мы увидим, что даже маленькие устройства могут вполне эффективно повышать напряжение).

И в то же время, как можно видеть по ссылке (т. к. владелец видео не разрешил его демонстрацию на других сайтах), это устройство позволяет ярко вспыхивать лампе накаливания, что говорит о достаточно большой генерируемой силе тока:

Картинка: Youtube-канал «MarkkuOpe»

Выше уже говорилось о низком сопротивлении этого устройства в целом по сравнению со стандартными генераторами, содержащими в своей конструкции обмотки. Причиной этого является как раз отсутствие каких-либо проволочных обмоток, что и позволяет генерировать большую силу тока.

Съём полезного генерируемого электричества происходит следующим образом:

• один контакт подключается к валу вращающегося диска, который электрически связан с самим диском;
• второй контакт подключается к периметру диска:

Картинка: Matma Rex

Оба использованных контакта представляют собой ползунковые пластинки, что является одним из факторов неэффективности, так как генерируемая величина напряжения мала, а такой контакт обладает повышенным сопротивлением, и это ещё больше снижает эффективность всей системы.

Тем не менее, известны способы улучшения этого момента: с помощью замены ползунковых контактов на жидкие металлы, например, ртуть, или галлий.

Полярность генерируемого тока зависит от направления вращения диска: то есть, вращая диск в разных направлениях, можно инвертировать полярность.

Чтобы понять, как течёт ток в диске и сопутствующей цепи, можно посмотреть на картинку ниже:

Картинка: Skullsinthestars, skullsinthestars.com

Для упрощения понимания на этой картинке вращающийся диск представлен в виде расходящихся, как лучи солнца, от центра к периметру диска, проводов.

Когда такой движущийся провод попадает в зону действия магнитного поля, в нём возникает электрический ток, текущий от центра диска к его периметру (на картинке показан красной стрелкой с подписью «current»).

Тем не менее, такой провод является исключительно умозрительным, так как реальный физический диск предоставляет гораздо большую площадь для течения тока, чем только по одному проводу — и это является проблемой: в этом случае наблюдаются два направления течения тока (на картинке второй не показан, там показан только один, который может быть использован для практических целей) — один ток течёт от центра к периметру, а второй, назовём его «паразитный» ток — течёт по-другому пути, от периметра к центру, протекая за пределами той зоны, где есть магнитное поле.

Примечание: насколько я понимаю (это отдельно обычно не поясняется в литературе), при вращении диска в другую сторону направление полезного тока также будет обратным (не как показано на картинке выше): от периметра — к центру; а паразитный ток, также инвертирует направление: от центра — к периметру.

Это приводит к тому, что уменьшается выходная эффективность устройства, и этот ток приводит к ненужному нагреву самого диска.

Выдвигаются идеи, что этот паразитный ток можно убрать или минимизировать, если расположить на диске дополнительные магниты (помимо неподвижных, на статоре), расположив их по периметру диска, что приведёт к равномерному воздействию магнитного поля на весь диск.

Кстати говоря, с этим диском связана весьма любопытная вещь, которая раньше не имела научного ответа: это так называемый «парадокс Фарадея», суть которого, применительно к этому диску, заключается в том (если совсем простыми словами), что такой диск может генерировать электричество, как вращаясь, сквозь постоянное магнитное поле неподвижного магнита, так и вращаясь вместе с этим постоянным магнитом! О_о

Те, кто более-менее знаком с электротехникой, а таких, я думаю, здесь большинство, знают, что наиболее широко используемые в современное время версии генераторов (мы сейчас здесь не говорим об электростатических и прочих экзотических версиях) содержат обязательно статор и ротор, где убирание какой-либо из этих обязательных частей приведёт, просто-напросто, к отсутствию генерации.

В случае же диска Фарадея, это вовсе не так: мы можем иметь всего лишь один, единственный ротор, без статора, с установленным на ротор магнитом и получать с него электричество! О_о

Такого типа генератор часто называют «барабаном Фарадея» (Faraday Drum).

По ссылке ниже (т. к. владелец видео не разрешил его демонстрацию на других сайтах) можно увидеть как раз версию такого генератора (см. с 1:30). Снятие генерируемого тока осуществляется с оси, на которой подвешен магнитный диск, и с периметра самого диска.

И мало того: укрепив на ось несколько магнитов, подключённых последовательно, можно повышать величину генерируемого напряжения (в эксперименте ниже, для всей сборки магнитов она составила 125 милливольт (см. с 3:04)):

Картинка: Youtube-канал «Science Exxience»

Кроме того, можно ещё отметить, что появление редкоземельных магнитов (например, неодимовых) даёт новую жизнь этим старым техническим решениям, увеличивая их эффективность.

Ещё одна любопытная заметка по поводу величины генерируемого напряжения: удалось найти информацию, что она прямо пропорциональна частоте вращения диска и обратно пропорциональна диаметру диска.

Как можно видеть, нигде, по крайней мере, в пределах прямой видимости, статоров с магнитами не наблюдается :-) Парадокс? Парадокс…

Тем не менее, насколько мне удалось понять, современная наука нашла решение этого парадокса, базируясь на открытии электронов и формулировании силы Лоренца, и подробное объяснение этого решения можно найти вот здесь, где в разделе «Taking the return path into account» оно и приводится и звучит примерно так: ток возникает благодаря тому, что даже если магнитное поле вращается вместе с самим магнитом, то ток всё равно будет возникать, так как этот магнит не находится в состоянии покоя относительно неподвижной внешней цепи. А как мы знаем, электрический ток, по крайней мере тот, который можно использовать для полезных целей и который генерируется электромагнитными генераторами, возникает только в случае изменяющегося магнитного поля, каковым оно и является относительно внешней цепи. Выглядит несколько странновато, согласен, однако это лучшее объяснение, которое мне удалось найти.

Несмотря на свою неэффективность в части преобразования механической работы в электрическую энергию, считается, что диск Фарадея может быть весьма эффективным в больших масштабах: в истории известны устройства, представлявшие собой большие маховики, способные импульсно генерировать очень большие потоки.

Например, известно устройство, использовавшееся 1960-х годах в Австралии для питания ускорителя частиц, которое могло генерировать токи вплоть до 2 МА.

Весьма впечатляющие возможности этого устройства описаны в одном из экспериментов вот здесь, где рассказывается о проведённом ещё в 1980-х годах эксперименте по свариванию стальных «прутков», диаметром 1080! мм (нет, это не ошибка, диаметр «прутка» составлял именно более 1 метра! О_о), где в ходе эксперимента прутки были плотно прижаты друг к другу прессом, после чего через место их соединения пропустили ток порядка 500 кА, что привело к надёжному их привариванию друг к другу! При этом металл в месте стыка сначала стал оранжевым, а потом — раскалился добела…

Несколько отвлекаясь от темы: кто там хотел запитать самодельный рельсотрон? Вот, один из вариантов: "640КБ 500 000 ампер — хватит каждому ©". А может быть, даже:

Для достижения таких результатов использовался диск диаметром 3 фута (91,44 см) и толщиной 1 фут (30,48 см), раскрученный до скорости в 4000 об/мин.

К сожалению, они умолчали о магнитной части устройства, поэтому о ней остаётся только догадываться…

Так как в открытом доступе информация на сей счёт отсутствует, то предположил бы, что постоянный магнит для такой исполинской конструкции раздобыть будет сложновато, а поэтому, скорее всего, там был использован, назовём его условно «динамический магнит» или попросту, электромагнит.

То есть некая обмотка с сердечником, который намагничивается первым начальным импульсом электричества через обмотку извне, например, от внешнего аккумулятора, после чего замыкают цепь уже самого диска Фарадея. Он начинает тормозиться, генерируя при этом электроэнергию, часть которой постоянно отбирается и идёт на питание электромагнита, а внешний аккумулятор при этом отключается.

В теории, если сделать обмотку этого электромагнита достаточно электрически прочной (намотать проводом условно «толщиной в руку» 😊), то такая обмотка вполне выдержит большой генерируемый ток, и на неё можно будет подать значительную мощность, увеличивая силу электромагнита с ростом генерации. Или сделать, скажем, две обмотки: первую — на много витков, намотанную тонким проводом, которая запитывается от аккумулятора, и вторую — толстым проводом, на мало витков, которая будет запитана после начала генерации самим диском Фарадея.

Описанный подход (с первичной запиткой от аккумулятора и последующим его отключением от электромагнита) широко распространён и применяется, в частности, в конструкции автомобильных генераторов и не только (при желании подробнее прочитать про это, можно глянуть, например, про катушку возбуждения).

После замыкания электрической цепи этот вращающийся диск за период порядка 1 секунды встал намертво (т. е. полностью остановился до нуля оборотов) и накопленная механическая энергия преобразовалась в электрическую (не совсем эффективно, но всё же), что позволило сгенерировать огромный ток, способный практически моментально расплавить даже самые тугоплавкие стали (исследователи перебрали их большой список, включая хромомолибденовые стали и даже вольфрам).

Для обеспечения минимальной силы трения, для подвеса маховика, в те годы использовали гидростатические подшипники, подразумевающие, что маховик будет вращаться, опираясь на тонкую плёнку масла, подаваемого под высоким давлением.

Оборудование, которое могло обеспечить такую подачу масла, было дорогим, что и ограничивало широкое распространение такого типа сварки.

Однако уже в девяностые годы широко распространились японские керамические подшипники, которые позволяют также эффективно вывесить ротор с минимальным трением и убрать потребность во всём этом дополнительном сложном оборудовании, что в наше время даёт этой технологии сварки новое дыхание.

В данный момент такая технология используется для сварки мостов (как минимум, в США), где начальный импульс служит для непосредственного приваривания деталей друг к другу, после чего диск снова раскручивают, и начинают с него заново подавать импульсы (подозреваю, что используется что-то типа ШИМ), что позволяет прогреть заготовки, не давая сварочному шву слишком быстро остывать.

Видимо, подразумевается, что для конкретных сталей требуется соблюдение определённого температурного режима для формирования мартенсита с определённой зернистостью в структуре шва, чтобы он получился нужной прочности. Наверняка, этот момент является весьма важным для строительства мостов.

Компания, работающая над сваркой мостов, планирует распространить эту технологию также и для сварки железнодорожных рельсов, так как мгновенность процесса и получающееся хорошее качество являются весьма привлекательными для бизнеса.

Единственной проблемой остаётся некоторая громоздкость оборудования, что затрудняет его перевозку с места на место…

Завершая этот рассказ, можно отметить, что, как это часто бывает в истории науки и техники, новые поколения, опираясь на современные изобретения, переосмысливают старые решения, которым, как ни странно, находится место и в современном мире, даже несмотря на то, что этим решениям может быть уже почти 200 лет...

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻