В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Униполярный двигатель" ученик 10 класса раскрыл понятие "униполярный двигатель" и "униполярная индукция", а также проследил связь между электричеством и магнетизмом, описал принцип работы униполярного двигателя и особенности этого механизма.

Подробнее о проекте:

В ученической исследовательской работе по физике "Униполярный двигатель" автор изучил вклад в развитие учений об униполярных двигателях и совершенствование их работы таких выдающихся ученных в области физики, как Майкл Фарадей и Никола Тесла. В рамках проекта было рассмотрено такое явление, как "Парадокс Фарадея" и дано его практическое объяснение.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Униполярный двигатель" автор дает определение и описывает принцип работы самоподдерживающего генератора и униполярного, а также рассматривает планету Земля в качестве природного униполярного индуктора. Практическая часть исследования была проведена с целью на простейших устройствах понять, как работает униполярный двигатель.

Оглавление

Введение
1. Из истории развития униполярных двигателей.
1.1 Открытия Майкла Фарадея.
1.2 Парадокс Фарадея.
1.3 Никола Тесла.
1.4 Самоподдерживающий генератор.
2. Принцип действия униполярного генератора.
3. Эксперимент.
Заключение
Литература

Двигатель — это прибор, который преобразует любую энергию в механическую. Самым любопытным для меня стал двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую.

Самые известные модели униполярного двигателя – Николы Тесла и Майкла Фарадея. Изучив литературу и материалы в интернете про униполярные генераторы, я раскрыл для себя секреты униполярной индукции.            В Большом энциклопедическом словаре написано: «В технике униполярные машины используются редко, т.к. они являются токовыми машинами, т.е. дают большой ток (до 100кА), но маленькое напряжение (1 – 10В). 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.»                                                              

В промышленных униполярных генераторах используются не постоянные магниты, а тороидальные катушки возбуждения. В экспериментальных установках получают ток до миллиона 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.

Мне показалось, что униполярные двигатели имеют перспективу развития, поэтому мною и была выбрана данная тема исследования.  Прежде всего я поставил перед собой цели и задачи, которые надеюсь решить в результате данной работы.

Цель работы: понять связь между электричеством и магнетизмом.

Задачи:

1. Узнать подробнее об изобретателях Майкле Фарадее и Николе Тесле.
2. На простейших устройствах понять, как работает униполярный двигатель, изучить теорию униполярной индукции, расширить свои знания по физике.

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791года в Лондоне.

Всемирную славу М. Фарадею принесли электрические исследования.

Фарадей, узнав об открытии Эрстеда, тщательно изучил литературу по этому вопросу и выступил в 1821-1822г. со статьей «Опыт истории электромагнетизма». Статья Фарадея подсказывала мысль о наличии вращения магнита вокруг тока, хотя Фарадей, стал думать о том, как экспериментально обнаружить вращение. Ему удалось обеспечить действие тока лишь на один из полюсов магнита и с помощью ртутного контакта осуществить непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током. Тогда же, в 1821г.

 
Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. В этом же году Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током приходит в непрерывное вращение. Ученому пришлось проявить немало изобретательства, чтобы придумать такое расположение проводника, при котором действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадея безостановочно вращался, пока цепь была замкнута. Это был первый электродвигатель, который потом назовут униполярным. Он заработал в декабре 1821 года.


Установка Фарадея: к металлическому коромыслу подвешены две проволоки, левая неподвижно соединенная с коромыслом, а правая закреплена так, что может вращаться. Концы проволок опущены в чашечки с ртутью, в которых вертикально установлены полосовые магниты так, что магнит слева может вращаться, а правый закреплен неподвижно. При замыкании цепи магнит слева вращается вокруг неподвижного проводника; в правой чашечке проводник вращается вокруг неподвижного магнита.


Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей делает набросок пером на бумаге и строит первый в мире униполярный электрогенератор, наиболее сложный по принципу действия. Радиус вращающегося диска проходит сквозь магнитное поле и вдоль радиуса генерируется ЭДС. Электрические заряды одного знака скапливаются на периферии, а заряды противоположного знака – на оси диска. Если замкнуть цепь с помощью скользящих контактов, то возникает ток от оси вдоль радиуса и через внешнюю цепь назад к оси.

Подобный генератор работает неплохо, но в нем не особенно эффективно использованы конструкционные материалы и занимаемое пространство. С немалыми трудностями связано снятие больших токов с помощью скользящих контактов. Униполярный генератор, предложенный Фарадеем, был очень красив по принципу действия, но не был удобен для практического использования. В лучшем случае он мог служить изящным украшением физических лабораторий, никому и в голову не приходило, что устройство можно использовать практически.

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 жеудивление 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 ниже в таблице 1. Восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита

Магнит	Диск	Внешняя цепь	Напряжение
Неподвижен	Неподвижен	Неподвижен	Отсутствует
Неподвижен	Вращается	Неподвижен	Есть
Неподвижен	Неподвижен	Вращается	Есть
Неподвижен	Вращается	Вращается	Не определено
Вращается	Неподвижен	Неподвижен	Отсутствует
Вращается	Вращается	Неподвижен	!Есть
Вращается	Неподвижен	Вращается	Есть
Вращается	Вращается	Вращается	Не определено

Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся работами Н. Тесла.

Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился 10 июля 1856   в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891г получил гражданство США. По национальности — серб.

Именем Н. Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). Среди многих наград учёного — медали

Э. Крессона, Дж. Скотта, Т. Эдисона.

Современники-биографы считают Теслу «человеком, который изобрёл XX век»

Униполярный двигатель-генератор Тесла относится к дисковым динамо - машинам первоначально исследованным М. Фарадеем.
Никола Тесла в 1889 г. запатентовал собственное устройство, работающее на принципе униполярной индукции - Динамо электрическую машину, которая отличалась простотой конструкции и повышенной эффективностью, но основным преимуществом конструкции было оригинальное решение проблемы контактных узлов.

Патент США № 406968. В патенте автор пишет следующее: Чтобы сделать корпус с двумя силовыми магнитными полями, я отливал основание с интегрированными двумя частями магнита - полюсами B. К корпусу я присоединял болтами E к отливке D, с двумя подобными и соответствующими частями магнита - полюсами C. Части полюса B

предназначены для производства силового поля определенной полярности, а части полюса C предназначены для производства силового поля противоположной полярности. Валы управления F и G пронзают полюсы и вращаются в изолированных подшипниках в отливке D. H и K - диски или генерирующие проводники.

Они изготовлены из меди, латуни, или железа и прикреплены к соответствующим валам. Они снабжаются широкой периферийной, отбортовкой J. Конечно, очевидно что диски могут быть изолированными от их валов, если нужно. Гибкий металлический пояс L проходит через фланцы двух дисков, и, если нужно, может использоваться, чтобы вращать один из дисков.

Я предпочитаю, однако, использовать этот пояс просто как проводник, и для этой цели может использовать тонколистовую сталь, медь, или другой соответствующий металл. Каждый вал, снабжается шкивом управления М, через который передается мощность извне.

Принцип действия униполярного генератора простой. На электроны, находящиеся в диске, действует Сила Лоренца, являющаяся векторным произведением напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником в результате вращения диска. Сила эта направлена вдоль радиуса диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем.

F=q*v*B*sin⁡a

Униполярным двигателям и генераторам, как в прошлом, так и в настоящем, уделяется большое внимание. Хотя используются такие моторы и генераторы в специфических условиях. Например, когда надо получить постоянный электрический ток большой величины, но при малом напряжении.

Или получить мотор, работающий от мощных аккумуляторов небольшим напряжением, таких как магнето на автомобилях, тракторах и т.п.

До сих пор не решена загадка движения униполярного двигателя Фарадея. Дело в том, что изобретенный им двигатель вращается вопреки физическим законам. Ученые не могут пока преодолеть парадокс движения. В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет

чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе; равномерность получаемого

тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами; большие собственные потери энергии протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким

проводящим токосъёмником по всему периметру диска.  Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов - ушей силы в его двигателе, в котором функционирует вращающийся магнит-ротор.

Любой человек, знакомый с элементами электротехники, знает, что обычные электродвигатели состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора. В качестве статора используются два вида магнитов: постоянный или электромагнит (постоянный или переменный). Как правило, в моторах устанавливается переменный электромагнит. Вращение ротора происходит за счет притягивания и отталкивания его от статора, таким образом, ротору передается непрерывное движение.

Если ротор притягивается к статору, то и статор притягивается к ротору. Если ротор отталкивается от статора, то и статор отталкивается от ротора. На двигателе Фарадея отсутствует статор. Ротору в этом случае не от чего отталкиваться. В соответствии с известными законами физики двигатель не должен вращаться. А он вращается.

Современная наука рассматривает разные гипотезы о причинах земного магнетизма: а) создание токов на поверхности и внутри Земли за счет ее вращения; б) гиромагнитный эффект; в) термоэлектрический ток в ядре; г) теория динамо и др.

Наиболее популярная в последнее время  «теория геомагнитного динамо». Результаты геологических исследований позволяют считать, что в центре Земли находится жидкое электропроводящее ядро. Радиус ядра примерно 3900км. Согласно теории динамо, токи в ядре образуются за счет  электромагнитной индукции при вращательном движении проводящего ядра в магнитном поле. Магнитное поле создается тем же током.

Таким образом, магнитное поле само себя поддерживает. Однако для начала такого процесса должно быть «затравочное « поле. Одно из наиболее простых объяснений создания «затравочного» поля – намагничивание присуще любому вращающемуся телу. Эта мысль была высказана еще в начале ХХ века П.Н.Лебедевым. В его опытах делалась попытка обнаружить намагничивание, создаваемое вращающимся стержнем. Техника того времени не позволила зафиксировать результат.

По оценке  величина магнитного поля, возникающего при вращении Земли, составляет  0, 00000000001 долю существующего магнитного поля.  Возникнув, оно могло усилиться за счет действия  «геомагнитного» динамо. По другим версиям:  начальное поле  - это чрезвычайно слабое магнитное поле, которое пронизывает всю Вселенную, или термоэлектрические токи в земном ядре.

Итак, наша планета Земля является вращающимся магнитом, а значит, представляет собой униполярный индуктор (генератор). Свободные электрические заряды ее проводящих сред (ионосфера, моря, недра) подвержены действию силы Лоренца. Возникает глобальное перераспределение зарядов, генерируется ЭДС униполярной индукции. Видимо, это должно влиять на природные процессы на Земле: на климат, электрические явления в атмосфере. Но все это еще нужно изучать.

Цель: изготовить униполярный  двигатель, рассмотреть принцип его действия.

Оборудование: источник тока (пальчиковая батарейка), магнит, медные проводники, соединительные провода, вольтметр (амперметр).

Инструкция (процесс сборки и результат)

1. Поместить магнит на отрицательный контакт батарейки. Используемый в примере магнит 1,25 см в диаметре и 0.65 см толщиной. Подойдет любой магнит похожего размера, но обычные керамические магниты слишком слабые, поэтому лучше использовать неодимовый.
2. Если проволока имеет изоляцию, то ее необходимо снять. Согнуть проволоку в любую понравившуюся форму, убедившись, что получившийся контур имеет хороший контакт с положительной клеммой батарейки и по окружности магнита. Придание проволоке красивой и функциональной формы требует определенного терпения. За основу можно взять формы приведенные на фотографиях.
3. Отбалансировать контур на батарейке и, внося в него изменения, добиться чтобы он вращался легко и быстро. Заряда батарейки хватит на несколько минут работы.

Опыт І. (Проведен согласно инструкции)

Результаты эксперимента:

1. При замыкании цепи наблюдалось быстрое вращение проволочной рамки  по часовой стрелке.
2. При повороте магнита на 180  ̊ вращение рамки происходит против часовой стрелки.
3. Если поменять полюса батарейки при вращении рамки против часовой стрелки, то меняется и направление вращения.
4. При использовании пальчиковой батарейки типа ААА, опыт не удается, необходима более мощная батарейка типа АА.
5. Форма рамки не влияет на скорость вращения.
6. При использовании ферритового магнита опыт не удается, необходим сильный неодимовый магнит.

Объяснение: на свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле действует сила Лоренца, направление которой определяется правилом левой руки. В результате образуется пара сил, вращающих проводник. При недостаточно хорошем электрическом контакте и слабой батарейке  или магните вращение не очень быстрое.

Опыт ІІ.

Шуруп с магнитом подвешен на положительном электроде батарейке. Шуруп намагничивается и прилипает к батарейке острием, один конец провода соединяется с минусом батарейки, второй конец приближаем к головке шурупа с магнитом. Как только контакт касается магнита, шуруп начинает быстро вращаться.

Вывод: хотя конструкция униполярного двигателя проста, для понимания его принципа работы надо хорошо знать теорию электромагнитных явлений

Мне нравится заниматься техническими вопросами. Проведя данную работу, я узнал много нового и неожиданного о   униполярном   двигателе и генераторе, о применение этих устройств. Я столкнулся с практическими проблемами эксперимента: подбор деталей, изготовление рамок, планирование опытов, поиск информации, оформление отчета о работе.

Эта работа еще раз подтвердила, что научная теория и инженерная мысль  неразделимы. Подобные безроторные и вообще униполярные двигатели и генераторы (которые я изучал) пока маломощны и имеют невысокий КПД. Но уже сегодня просматриваются области их применения, например, в приборостроении. Особенно привлекает то, что двигатель не имеет статора и реактивного момента. А кроме того, если эти двигатели и генераторы действительно изменят наше представление о магнитном поле, практическая ценность их может оказаться огромной.

1. А.В.Перышкин «Физика-8-9» М. Дрофа,2003г.
2. П.С.Кудрявцев  «Курс истории физики» М. Просвещение, 1982г.
3. Ф.М.Дягилев «Из истории физики и жизни ее творцов» М.Просвещение, 1986г.
4. «Первое сентября». Физика земного магнетизма. №4 2003г., стр.10-17.
5. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия,1960г.