Униполярный генератор Фарадея
Известны три механизма разделения зарядов, широко используемые человеком. Это электрогенераторы, химические реакции в аккумуляторах и батареях, фотоэлементы. Но ещё на заре электротехники Майкл Фарадей изобрёл униполярный (однополярный) генератор, пусть малоэффективный, но который тоже производит разделение зарядов и вызывает ток. Однако до сих пор идут споры о природе возникновения тока в униполярном генераторе Фарадея. Токопроводящий диск из меди вращается между полюсами постоянного магнита. В центре диска и на краю диска есть по одному скользящему, трущемуся контакту, соединённому проводами с гальванометром. Если диск быстро вращать, то гальванометр покажет наличие тока (движение зарядов). Униполярный генератор Фарадея имеет прямое родство с электрофорной машиной, где также имеется трение щёток о вращающиеся в противоположных направлениях пластиковые диски, на которые наклеены листики из алюминия. В электрофорной машине нет никакого магнита, но разделение зарядов производится весьма успешно. Именно за счёт трения, но не за счёт трения щёток (они лишь переносят заряды), а за счёт трения о воздух в малом пространстве между быстро вращающимися дисками. Быстрое движение объектов в плотной воздушной массе (самолёт, машина, облако), за счёт энергичных соударений атомов и молекул, приводит к разделению зарядов и их распределению на поверхности объектов. Напряжения при вращении дисков электрофорной машины могут достигать тысячи вольт. Но разница между электрофорной машиной и униполярным генератором в том, что машина выдаёт при вращении и трении большое напряжение, но очень маленький ток. Тогда как униполярный генератор Фарадея – наоборот, маленькое напряжение и большой ток.
Вопрос с униполярным генератором Фарадея в том – что создаёт ЭДС и рождает ток? Единого мнения нет. Большинство голосов за то, что к рождению ЭДС причастна сила Лоренца, а значит – участие магнитного поля, которое отбрасывает заряды к центру проводящего вращающегося диска. Однако, вот какое дело! Если убрать магнит вообще и вращать только проводящий диск (лучше из железа и массивней), то ЭДС также возникнет и пойдёт ток. Чтобы пошел ток – нужно разделение зарядов, наличие зарядов разного знака. Без этого никакого тока не будет. Верить в то, что вращение диска гонит электроны в диске центробежной силой на край диска, может только наивный человек. Оказывается, магнит тут ни при чём! Всё дело – в трении! Трение контактов о край диска и в центре диска создаёт разделение зарядов. Металл можно наэлектризовать стеганием, о чём рассказывали даже в школе. Так вот энергичное трение – и есть стегание, при котором происходит разделение зарядов. А где есть заряды разного знака – есть и ток! Никакого парадокса тут нет. Трение приводит к разрыву межатомных (межмолекулярных) связей, что заставляет магнитные моменты атомных частиц (диполей) опрокидываться, вращаться. Как ни странно, но при этом рождаются гамма-кванты, которые в сильном магнитном поле ядер атомов распадаются на электроны левого и правого спина. Вот так происходит разделение зарядов. Разделённые заряды замыкаются через проводник во встречном движении. Чем больше площадь контакта и чем больше толщина проводов – тем больше напряжение и токи. Что касается известной таблички для униполярного генератора Фарадея, где показаны возможные варианты рождения тока, то токи и напряжения есть тогда, когда есть энергичное трение при относительных скоростях движения. Трение исчезает – и тока нет. Трение при большой разности скоростей объектов – важнейшее условие в механическом разделении зарядов. К слову сказать, в обычном электрическом генераторе тоже есть трение, но не механическое, а трение магнитных полей. И это трение тоже приводит к опрокидыванию магнитных моментов дипольных частиц, к рождению гамма-квантов. И эти гамма-кванты скоро распадаются в сильных магнитных полях атомных ядер на электроны левого и правого спина (лэлеки и пэлеки).
Главное отличие химического способа разделения зарядов в аккумуляторах от механического (трения) и магнитного (генераторы) в том, что в химических не рождаются новые электроны левого и правого спина. Они высвобождаются в результате разрыва молекулярных связей в ходе химических реакций. Число электронов ограничено. Когда реакции прекратятся – ток перестаёт идти, свободных электронов больше нет. Работу аккумулятора с окислительно-восстановительными реакциями можно восстановить, подав на клеммы аккумулятора зарядный ток, лэлеки и пэлеки. Молекулы восстанавливаются в новых реакциях в прежнем состоянии. А вот в генераторах электрического тока рождение пар лэлеков и пэлеков может происходить неограниченно, была бы только энергия вращения ротора. На фоне этих надёжных источников тока униполярный генератор Фарадея выглядит довольно бледно. Но всё же и он нашел применение в качестве источника тока для рельсотронов.
В заключение остановлюсь на двух моментах. Если в униполярном генераторе Фарадея проводящий диск из меди заменить круглым дискообразным постоянным магнитом, то ничего в работе генератора не изменится, также при трении о центр и край магнита будут рождаться лэлеки и пэлеки, и потечёт ток. В постоянном магните магнитные моменты дипольных частиц ориентированы сонаправленно. Но помешает ли это течению тока из постороннего источника, если приложить тут разность потенциалов? Нет, не помешает, лэлеки и пэлеки из источника тока будут проходить по проводнику магнита свободно в любом направлении. Второй момент – свободные электроны в проводнике. На предположении о существовании свободных электронов в проводниках построена вся электротехника. Но предположение это подкреплено якобы опытом. Однако опыты эти сделаны с помощью скользящих контактов, как в униполярном генераторе Фарадея! Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913 г.), Стюарта и Толмена (1916 г.). Схема опыта такова (цитирую): «На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, т. к. из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся, и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается». Отличие этого устройства от генератора Фарадея в том, что диски – разные и они разнесены, их соединяет провод катушки. Но наличие скользящих контактов уже даёт повод задуматься: а не индуктивность ли катушки является причиной «броска тока» при резком торможении?!. Трущиеся контакты при быстром вращении катушки создают ЭДС, разделяют заряды. Но заряды в гальванометр попадают лишь при резком торможении катушки, как отклик реактивного сопротивления индуктивности… Конечно, это только моё предположение. Но опыты подобного рода можно сегодня провести с большей тщательностью, тем более что технические возможности сегодня много лучше возможностей столетней давности!..
Свидетельство о публикации №224022100503