Лекции статьи посвящение к Белградскому изданию 1956 г

ЗАМЕТКИ ОБ УНИПОЛЯРНОМ ДИНАМО*


Фундаментальным открытиям, великим достижениям интеллекта свойственно сохранять неистощающуюся власть над воображением мыслителя. Памятный эксперимент Фарадея с диском, вращающимся между двумя полюсами магнита, принесший столь величественный плод, уже давно вошел в повседневную жизнь; хотя этот зародыш современного динамо и мотора имеет некоторые особенности, которые даже сегодня изумят нас, и достойны самого пристального изучения.
Возьмем, например, случай, когда диск из железа или другого металла вращается между двумя противоположными полюсами магнита, и полярные поверхности полностью покрывают обе стороны диска. И допустим, что ток снимается или подается на него контактами однородно по всему периметру диска. Первое имеет место в моторе. Во всех обыкновенных моторах работа зависит от определенного смещения или изменения результирующей магнитного притяжения, воздействующего на якорь, и этот процесс осуществляется либо неким механическим приспособлением в моторе, или воздействием токов соответствующего характера. Мы можем объяснить работу такого мотора точно так же, как мы объясняем работу водяного колеса. Но в вышеприведенном примере диска, полностью окруженного полярными поверхностями, нет ни сдвига магнитного воздействия, ни какого-либо изменения, насколько известно, и все-таки вращение происходит. Поэтому здесь обычные рассуждения не применимы. Мы не можем даже дать поверхностного объяснения этому, как в обычных моторах, и работа устройства станет понятной, только после того, как мы поймем самую природу задействованных в ней сил и охватим тайну невидимого связующего механизма.
Для случая динамо машины диск оказывается столь же интересным объектом изучения. Помимо удивительной способности давать токи одного направления без применения каких- либо переключающих устройств, такая машина отличается от обычного динамо еще и тем, что нет реакции между якорем и полем. Ток якоря стремится создать намагничивание под прямыми углами к намагничиванию от тока поля, но поскольку ток снимается однородно во всех точках периметра, и поскольку, если быть точными, внешняя цепь тоже может быть построена совершенно симметричной относительно поля магнита, никакой реакции не может возникнуть. Это верно однако только при слабо возбужденных магнитах, потому что при более или менее интенсивных магнитах оба намагничивания под прямыми углами друг к другу по-видимому взаимодействуют друг с другом.
И по одной только вышеуказанной причине получается, что выход такой машины на единицу веса должен быть больше, чем у любой другой машины, в которой ток якоря стремится размагнитить поле. Выдающийся выход униполярного динамо Форбса и опыт автора подтверждают эту точку зрения.
Опять же, поражает легкость, с которой делается так, чтобы эта машина возбуждала себя, но это может объясняться — помимо отсутствия реакции якоря — совершенной гладкостью тока и тем, что само-индукция здесь не существует.
Если полюса не покрывают диск полностью с обеих сторон, то конечно же, если диск не разделен должным образом на части, такая машина будет очень неэффективной. И вновь в этом случае есть моменты, которые стоит отметить. Если диск вращается, а ток поля прерывается, то ток через якорь будет продолжать течь, и полевые магниты будут терять свою силу сравнительно медленно. Причина этого станет сразу ясна, когда мы разберемся в направлении токов, идущих в диске.
В соответствии со схемой на Рис. 1, d это диск со скользящими контактами В В1 на оси и периметре. N и S — это два полюса магнита. Если полюс N находится наверху, как на схеме, то диск будет расположен в плоскости бумаги, и вращение будет идти в направлении стрелки D, поскольку установившийся в диске ток будет течь из центра к периметру, как показано стрелкой А. Поскольку магнитное действие более или менее ограничено пространством между полюсами N и S, остальные части диска можно считать неактивными. Установившийся ток будет, таким образом, проходить через внешнюю цепь F, но будет замыкаться через сам диск, и вообще говоря, если расположение будет некоторым образом похоже изображенному на схеме, намного большая часть сгенерированного тока не будет проявляться вовне, поскольку цепь F практически замкнута накоротко через неактивные части диска. Направление результи- рующих токов в диске можно положить совпадающим с изображенными пунктирными линия- ми и стрелками т и n; и направление тока возбуждающего поля — как изображено стрелками a b c d. Если рассмотреть рисунок, то видно, что одна или две ветви завихряющегося тока, то есть А В' т В, будут стремиться размагничивать поле, тогда как остальные ветви, то есть А В1 n В, будут оказывать противоположное воздействие. Таким образом, ветвь А В' m В, то есть так, которая начинает входить в поле, будет отталкивать его линии, а ветвь А В' n В, то есть та, которая выходит из поля, будет собирать линии силы на себя.
Вследствие этого будет существовать постоянна тенденция к уменьшению течения тока по пути А В' m В, тогда как на пути А В' n В такого противодействия не будет, и в влияние второй ветви или пути будет более или менее перевешивать влияние первой. Совокупный эффект токов в обеих ветвях можно представить как эффект одного тока в направлении возбуждающего поля. Другими словами, завихряющиеся токи, циркулирующие в диске, будут возбуждать поле магнита. Это т результат прямо противоположен тому, который мы могли бы сначала предположить, потому что мы естественно могли бы ожидать, что результирующий эффект токов якоря будет противоположным эффекту от токов поля, как обычно бывает, когда первичный и вторичный проводники находятся друг с другом в индуктивной связи. Но следует помнить, что это проистекает из конкретного расположения в данном случае, а именно, когда ток может течь по двум путям, и он выбирает тот, где меньше противодействие его течению. Из этого мы видим, что завихряющиеся токи в диске будут продолжать течь, и поле магнита будет терять свою силу сравнительно медленно и может даже определенную силу сохранять, пока продолжается вращение диска.
Конечно, результат будет во многом зависеть от сопротивления и геометрических размеров пути результирующего завихряющегося тока, а также от скорости вращения; именно эти факторы определяют торможение этого тока и его положение относительно поля. При определенной скорости будет наблюдаться максимальное возбуждающее воздействие; при более высоких скоростях оно будет постепенно спадать до нуля и наконец развернется, то есть результирующий эффект завихряющихся токов будет ослаблять поле. Эту реакцию лучше всего можно продемонстрировать экспериментально, создав поля N S и N' S1 легко движущиеся по оси, концентричной с осью диска. Если последний будет как и раньше вращаться в направлении стрелки D, то поле будет увлекаться в том же направлении с вращающим моментом, который вплоть до определенной точки будет увеличиваться со скоростью вращения, потом спадать, и, пройдя через ноль, станет наконец отрицательным. То есть, поле начнет вращаться противоположно диску. В экспериментах с моторами переменного тока, где поле смещается токами с различающейся фазой, этот интересных эффект тоже наблюдался. При очень низких скоростях вращения поля мотор демонстрировал вращающий момент в 900 фунтов и более, будучи измеренный на шкиве в 12 дюймов диаметром. Когда скорость вращения полюсов возрастала, вращающий момент снижался, становясь наконец нулевым, потом становился отрицательным, и тогда якорь начинал вращаться противоположно полю.
Возвращаясь к нашей основной теме, предположим, что условия таковы, что завихряющиеся токи, генерируемые вращением диска, усиливают поле, и предположим, что последнее постепенно удаляется, при этом вращение диска поддерживается с возрастающей скоростью. Ток, после того как он потек, может оказаться способен поддерживать себя сам и даже возрастать по своей силе, и тогда мы получим случай "аккумулятора тока" Сэра Вильяма Томпсона. Но как видно из вышеприведенного рассмотрения, для успеха эксперимента важно использовать неразделенный диск, потому что если будет радиальное разделение, то не смогут образовываться завихряющиеся токи, и самовозбуждение прекратится. Если бы применялся такой радиально разделенный диск, то нужно было бы соединить спицы или им подобные части проводящим ободом или любым другим подходящим образом, чтобы образовалась симметричная система замкнутых цепей.
Действие завихряющихся токов можно применить для возбуждения машины любой конструкции. Например, на Рис. 2 и 3 показаны устройства, при которых можем возбуждаться машина с дисковым якорем. Здесь некоторое число магнитов, N S, N S, располагается радиально с каждой стороны металлического диска D, несущего на своем ободе множество изолированных катушек, С С. Магниты образуют два отдельных поля, внутреннее и внешнее, диск вращается в поле, ближайшем к оси, а катушки — в поле, дальнем от нее. Допустим, магниты слабо возбуждены в начале. Их может усилить воздействие завихряющихся токов в диске может их усилить, чтобы создать более сильное поле для периферийных катушек. Хотя несомненно, что при соответствующих условиях машина может возбуждаться таким или подобным ему образом, и этому утверждению есть достаточное количество экспериментальных доказательств, такой способ возбуждения был бы неэкономичным.
Но такое униполярное динамо или мотор, как показано на Рис. 1, можно эффективно возбуждать просто нужным образом разделив диск или цилиндр, в котором идут токи, и вполне можно избавиться от обычно используемых катушек возбуждения. Такая схема приведена на Рис. 4. Диск или цилиндр D вращается между двух полюсов N и S магнита, который полностью покрывает обе его стороны, — контуры диска и полюсов изображены окружностями d и d' соответственно, верхний полюс для ясности не нарисован. Сердечники магнита предполагаются полыми, чтобы через них проходила ось С. Если непомеченный полюс будет находиться снизу, и диск будет вращаться по часовой стрелке, то токи, как и до этого, будут течь из центра к краю, и их можно снимать скользящими контактами, В и В , расположенными соответственно на оси и на краю. В такой компоновке ток, текущий через диск и внешнюю цепь, не будет оказывать заметного влияния на возбуждающий магнит.
Но давайте предположим, что диск подразделен спирально, как показан сплошными или пунктирными линиями на Рис. 4. Разница потенциалов между точкой на оси и точкой на краю будет оставаться неизменной, как по знаку, так и по величине. Единственная разница будет в том, что вырастет сопротивление диска, и в том, что будет большее падение потенциала от точки на оси до точки на краю, когда тот же ток будет проходить через внешнюю цепь. Но поскольку ток будет вынужден следовать разделяющим линиями, мы видим, что он будет стремиться либо возбуждать, либо раз-возбуждать поле, и это будет зависеть, при прочих равных условиях, от направления линий разделения. Если разделение будет сделано по сплошным линиям на Рис. 4, то очевидно, если ток течет в том же направлении, что и раньше, то есть от центра к краю, его влияние будет усиливать возбуждающий магнит. Тогда как если разделение будет сделано по пунктирным линиям, то генерируемый ток будет стремиться ослабить магнит. В первом случае машина будет способна возбуждать сама себя, когда диск вращается в направлении стрелки D; в последнем случае направлением вращение должно быть изменено на обратное. Два таких диска можно скомбинировать, как показано, причем два диска будут вращаться в противоположных полях и в одном и том же или в противоположных направлениях.
Такое подразделение можно, конечно, сделать и в такой машине, где вместо диска вращается цилиндр. В таких униполярных машинах можно, как описано, убрать обычные катушки возбуждения и полюса, и машина будет состоять только из цилиндра или двух дисков, заключенных внутри металлической отливки.
Вместо спирального разделения диска или цилиндра, как это показано на Рис. 4, более удобно поместить один или два витка между диском и контактным кольцом на краю, как показано на Рис. 5.
Таким способом может, например, возбуждаться динамо Форбса. По опыту автора было обнаружено, что вместо снятия тока как обычно скользящими контактами с двух таких дисков лучше использовать проводящую ленту. В этом случае диски снабжаются большими фланцами, дающими очень большую поверхность контакта. Ленту следует делать так, чтобы она удерживалась на фланцах давлением контактных пружин, чтобы компенсировалось растяжение. Два года назад автор построил несколько машин с ленточными контактами, и они удовлетворительно работали. Но из-за нехватки времени работа в этом направлении была временно приостановлена. Ря д особенностей, о которых написано выше, также были использованы автором в связи с некоторыми видами моторов переменного тока.