Диск Фарадея
Это незамысловатое с виду электромеханическое устройство разработал в 1831 году английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей.
Среди многочисленных открытий Фарадея, включающих химическое действие тока, действие магнитного поля на свет, законы электролиза, а также предсказание электромагнитных волн, - главным можно по праву считать открытие явления электромагнитной индукции, которое лежит теперь в основе всей современной электротехники.
Майкл Фарадей (1791–1867)
Диск Фарадея стал первым устройством, которое позволило демонстрировать и наблюдать электромагнитную индукцию с точки зрения практической применимости магнетизма для цели генерации электроэнергии в механическом устройстве.
Примечательно, что сам Фарадей, когда делал свое открытие, еще не знал о существовании электрона - частицы, образующей ток в металлах, о котором, задолго до реального открытия лишь начнут говорить и размышлять спустя 20 лет после смерти ученого. Это - та причина, по которой Фарадей не смог до конца понять и объяснить всех тонкостей работы своего дискового генератора.
Что же касается формулы для нахождения силы, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд (а сила Лоренца как раз целиком и обуславливает генерацию тока в диске Фарадея), то физик-теоретик из Нидерландов Хендрик Лоренц полностью (с электрической и магнитной составляющими) выведет ее лишь в 1895 году, хотя и через несколько лет после того, как английский ученый-самоучка Оливер Хевисайд уже правильно определит вклад магнитной силы.
Как же выглядит диск Фарадея в классическом его виде? Данный униполярный (то есть однополюсный) генератор постоянного тока состоит из проводящего диска, насаженного перпендикулярно через свой центр на горизонтальную ось, вместе с которой и вокруг которой он может механически вращаться при помощи ручки, которую, в свою очередь, вращает экспериментатор.
Униполярный генератор Майкла Фарадея
В самом первом варианте исполнения дискового генератора два полюса постоянного магнита охватывали лишь часть диска так, что он оказывался пересечен магнитным полем в этом месте перпендикулярно, то есть силовые линии магнитного поля постоянного магнита были направлены параллельно оси вращения диска.
Этот вариант, в котором внешнее магнитное поле пересекает диск лишь частично, оказался весьма неэффективным: там, где магнит перекрывает диск — генерируется полезный ток для питания нагрузки, но в областях диска, лежащих за краями магнита, в таком исполнении возникает ток противоположного направления, который просто расходует значительное количество энергии на бесполезный нагрев диска.
Поэтому следующие, более эффективные модели диска Фарадея, содержали магнит, покрывающий диск по всему его периметру. Кольцевой магнит подходит для этой цели лучше всего.
В любом из вариантов исполнения диска Фарадея есть также два токосъемника: один прижат, посредством скользящего контакта, к диску в районе оси его вращения в центре (или непосредственно к оси, если ось проводящая), второй — подобным образом, прижат к краю диска (если магнит перекрывает диск частично, то второй токосъемник располагается в том его месте на периферии диска, где диск пересекает магнитное поле постоянного магнита).
Токосъемники подключены к клеммам, предназначенным для присоединения внешней нагрузки. Диск Фарадея послужил прототипом самых первых динамо-машин постоянного тока.
Особенность генератора Фарадея заключается в том, что, хотя он и вырабатывает достаточно небольшое постоянное напряжение (измеряемое обычно единицами вольт), тем не менее, благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению диска, генераторы данного типа способны производить без выпрямления огромные постоянные токи, вплоть до миллионов ампер. Данная особенность делает униполярные генераторы принципиально хорошо подходящими для питания электролизеров.
[banner_adsen
Итак, для намагниченного по оси кольцевого магнита с индукцией B, полностью покрывающего диск по всем его радиусам r (или R), при известной угловой скорости вращения диска, найдем напряжение, которое возникнет между центром и краем диска.
При расчетах учтем, что магнитное поле направлено перпендикулярно скорости движения заряженных частиц (электроны движутся вместе с диском перпендикулярно магнитному полю), а электрическое поле E разделенных под действием силы Лоренца зарядов будет своим действием компенсировать силу Лоренца:
Парадокс Фарадея
С диском Фарадея (униполярным генератором) связан так называемый «парадокс Фарадея». Давайте рассмотрим суть и разрешение данного парадокса.
Допустим, что кольцевой магнит с осевой намагниченностью полностью по периметру перекрывает диск и расположен должным образом в конструкции дискового генератора Фарадея — магнитное поле магнита перпендикулярно плоскости диска. Здесь имеется несколько возможностей:
1 — магнит неподвижен пока диск вращается вокруг общей с магнитом оси;
2 — магнит вращается соосно вместе с диском;
3 — магнит вращается вокруг общей с диском оси, пока диск неподвижен.
Спрашивается, в каком случае и почему будет наблюдаться разность потенциалов между краем и центром диска?
В первом случае, когда диск вращается в магнитном поле неподвижного магнита, очевидно, что сила Лоренца действует на электроны, перемещающиеся вместе с диском внутри него перпендикулярно магнитному полю, в результате электроны смещаются под действием силы Лоренца от центра к краю либо от края к центру диска (в зависимости от направления вектора B по отношению к вектору скорости движения электронов). Между центром и краем диска будет наблюдаться разность потенциалов.
Во втором случае все тот же магнит вращается вместе с диском. Перемещения диска относительно магнита нет, но разность потенциалов между краем и центром диска в эксперименте почему-то возникает. Почему? Дело в том, что магнитное поле постоянного магнита с однородной осевой намагниченностью не зависит от того, вращается ли магнит вокруг своей оси симметрии или нет.
Собственное магнитное поле, окружающее постоянный магнит, не изменяется от осевого вращения магнита, оно остается неподвижным, неизменным в пространстве. Поэтому вращение магнита с осевой намагниченностью вокруг собственной оси симметрии равносильно нахождению магнита в состоянии покоя. Разность потенциалов между центром и краем диска будет наблюдаться, причем численно она будет такой же, как в первом эксперименте.
В третьем эксперименте вокруг собственной оси намагничивания (общей оси с диском) вращается магнит, пока неподвижен диск. Разности потенциалов между краем и центром диска не возникает. Это вызвало в свое время недоумение Фарадея и породило суть одноименного парадокса.
На самом же деле нет здесь никакого парадокса. Вращение однородно намагниченного магнита вокруг собственной оси намагничивания не приводит к изменению магнитного поля относительно неподвижного диска. Ситуация равносильна нахождению в покое и диска и магнита. Нет причин для возникновения силы Лоренца. Нет причин для возникновения разности потенциалов.
Смотрите также:
Практическое применение закона электромагнитной индукции Фарадея
Обязательное условие электромагнитной индукции - пересечение магнитных линий проводником
Что такое Клетка Фарадея, как она работает и где используется