Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №5 - Федорочев

Так как циркуляция внизу магнита имеет такое же направление и величину, что и наверху (проводник 3), то не имеет значение, проходит ли проводник сверху или снизу магнита — амплитуда и фаза сигнала остается теми же. Следовательно, сигнал равен 0 при прохождении проводником плоскости раздела магнитов, и достигает максимума при прохождении полюсов. Трапециидальная форма импульсов объясняется тем, что полюса половинок магнита не точечные — это отрезки дуги на поверхности магнита (у однородного магнита это окружности, где S на одной стороне магнита, а N — на другой, см. Рис. 13) и провалы объясняются отсутствием изменения циркуляции на этом участке (сигнал пропорционален производной).

В частности, полюса однородного магнита на его поверхности имеют форму окружностей, а при удалении поле «собирается» и полюсами становятся точки на оси магнита (Рис. 13).

Рис. 13

Для неоднородного магнита картина похожая, но более сложная. Полюса на поверхности — это отрезки дуги (примерно Ч окружности каждый) «сползающие» затем на край магнита и переходящие на другую сторону. На расстоянии примерно равным диаметру диска поле сглаживается, и полюсами становятся некие точки в пространстве расположенные напротив центров этих отрезков (Рис. 13).

При удалении проводника от поверхности магнита, форма сигнала сглаживается, пропадают провалы и, далее форма сигнала становится синусоидальной (амплитуда при этом резко падает). Это объясняется сглаживанием магнитного поля и уменьшением его напряженности по мере удаления от магнита.

При перемещении проводника 1–2 (Рис. 12) в радиальном направлении от оси магнита (положение 4–5) трапециидальная форма импульсов искажается, появляются провалы, объясняемые в данном случае неодновременностью прохождения разделительной плоскости проводником. В этом случае на одной половине магнита циркуляция в этот промежуток времени падает, а на другой возрастает, таким образом, ЭДС, наводимые в двух частях проводника, частично компенсируют друг друга. При дальнейшем перемещении сигнал меняет фазу и при выходе проводника за пределы магнита (положение 6–7) импульсы преобретают трехугольную форму (раздел 7, Рис. 7).

Надо отметить, что полученные результаты (кроме ЭДС в проводнике 6–7) могут быть также объяснены и с точки зрения первой гипотезы — лоренцевого механизма — (движение поля вместе с магнитом). В этом случае ЭДС также равна О в плоскости соединения магнитов (вектор скорости V параллелен вектору В) и максимален в полюсах (где V ┴ В). Правда, данный вариант не объясняет некоторые особенности формы сигнала, в частности провала на вершине трапеции (форма, характерная для дифференцированного сигнала).

Это еще раз свидетельствует о сложности разделения двух механизмов наведения ЭДС.

Здесь еще раз надо отметить, что подобная путаница с механизмами наведения ЭДС возникает при анализе электромагнитных устройств во многих случаях, например при анализе работы электромотора постоянного тока (классический школьный пример, рамка вращается между двумя магнитами) или при вдвигании — выдвигании магнита из рамки. В этом случае направление ЭДС в рамке можно найти по «правилу правой руки». Количественно, ЭДС наводимая в движущемся поперек магнитных силовых линий проводнике, вычисляется по формуле, выведенной при допущении «скольжения» проводника по двум другим проводникам, ему перпендикулярным. В результате этого площадь контура, как бы, увеличивается и формула для ЭДС выглядит следующим образом (для однородного поля, проводника длиной L и скорости проводника V перпендикулярной вектору индукции В):

Е = V∙В∙L.

Формула, выведенная на основании лоренцева механизма (разделение зарядов под действием лоренцевой силы) выглядит абсолютно так же. В то же время, очевидно, что реальным механизмом наведения ЭДС в этом случае является именно лоренцев.

9. Многообмоточный униполярный генератор с неоднородным вращающимся магнитом и неподвижной катушкой

Конструкция этого генератора является практическим приложением выводов, сделанных в предыдущих разделах.

Так как ЭДС, наводимая в полукольцах имеет одинаковую полярность, то соединив полукольца встречно можно увеличить ЭДС в N раз, где N — число полуколец.

При встречном соединении полуколец их концы должны быть соединены проводниками, в которых также может наводиться ЭДС. Самый короткое расстояние между противоположными концами полуколец проходит через центр магнита (Рис. 14), но на этих соединительных проводниках также наводится ЭДС (см. Рис. 11 и 12), которая может складываться или вычитаться из ЭДС, наводимой в полукольцах (в зависимости от ее полярности). Для определения полярности сигналов в полукольцах и радиальных проводниках был проведен эксперимент, в котором оба этих элемента были подсоединены ко входам двухлучевого осциллографа.

Рис. 14

Осциллограммы сигналов 1–3 (полувиток) и 1–2 (радиальный проводник) приведены на Рис. 15.

Рис. 15.

Таким образом, сигналы находятся в противофазе и соединение полуколец, приведенное на Рис. 15 позволяет не только получить многообмоточный генератор, но и увеличить величину ЭДС за счет радиальных проводников. Также, удаление радиальных проводников от плоскости магнита (или их магнитное экранирование) может, при необходимости, уменьшить их вклад в создание ЭДС.

Основываясь на «модифицированном принципе Ленца», можно объяснить прочему ЭДС в проводниках 1–3 и 1–2 наводится в противофазе. Согласно анализу, приведенному в предыдущих разделах, в момент времени, когда расположение проводников соответствует показанному на рис. 14 (положение А), циркуляция магнитного поля в месте расположения обоих проводников максимальна и ЭДС в этих проводниках, полувитке и радиальном, равна 0. При дальнейшем вращении магнита, полувиток и радиальный проводник смещаются из положения А в положение В (Рис. 14), циркуляция в обоих случаях уменьшается и в проводниках возникает ток, создающий циркуляцию, совпадающую по направлению с циркуляцией поля магнита и компенсирующую это уменьшение. При этом, полярность ЭДС, наводимой в полувитке и радиальном проводнике — противоположная (Рис. 15). Надо отметить, что в данном генераторе полувитки могут быть расположены только с одной стороны катушки — ЭДС при этом не измениться. На основе этих экспериментов был разработана конструкция электрогенератора и был создан и испытан его прототип.

Многовитковый генератор, разработанный на вышеизложенном принципе

Были испытаны макеты такого генератора с разным количеством полувитков. Схема соединения полувитков приведена на Рис. 16.

Рис. 16

Ротор генератора был выполнен из ферритового магнитного кольца 70x30x10 мм с Вr = 0.274 Тл, которое было разломано пополам и одна половина перевернута. Фотография ротора приведена на Рис. 17.

Рис. 17

Первый макет содержал 120 полувитков (83 мм в диаметре) и развивал ±0.6 В в режиме холостого хода, что подтверждает идеи, высказанные в разделах 5 и 6 и заложенные в данной конструкции. При этом, ЭДС, наводимая в одном полукольце, была равна ± 3.5 мВ мВ (ЭДС очень сильно зависит от индукции В в месте расположения проводника, составляя ± 7 мВ на