ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ УНІПОЛЯРНОЇ МАШИНИ
Дія уніполярної машини заснована на принципі електромагнітної індукції, відкритому М. Фарадеєм ще 1831 р. В результаті досліджень явища електромагнітної індукції знаменитий фізик побудував лабораторну модель, яку поряд із відомим колесом Берлоу можна вважати прообразом сучасних уніполярних машин. Ця модель складалася з мідного диска, який приводився у обертання між полюсами підковоподібного магніту, та двох ковзних контактів. Для отримання найбільшої напруги на контактах один з них був розташований біля краю диска, а другий біля осі обертання (рис. 5).
На рис. 6 схематично показаний інший можливий варіант моделі, коли циліндричний магніт обертається навколо осі. З бічної поверхні циліндра та валу напруга знімається за допомогою двох щіток.
У ХІХ столітті щодо принципу дії подібної системи велася тривала дискусія. Справа в тому, що напруженість магнітного поля в просторі для випадку не змінюється в часі, тому важко пояснити виникнення ОДС в контурі PGO. Тоді багато помилково ототожнювали обертання магніту з обертанням нею магнітних силових ліній. Магнітні силові лінії є допоміжним поняттям і не можуть розглядатись у вигляді якихось матеріальних утворень [32]. Для обґрунтування принципу дії наведених вище схем У ХХ столітті залучили абсурдну теорію відносності Ейнштейна, а також суперечливе поняття про так звану силу Лоренца [27, 32, 77]. Такі методи аналізу виходять за рамки цього огляду.
Схема першої лабораторної моделі показано на рис. 7. Вона складається з дископодібного магніту М, мідного диска Д, контактних ртутних пристроїв, немагнітної прокладкиП. Модель підключалася до джерела постійного струму та працювала в режимі двигуна. При різних значеннях струму вимірювався електромагнітний крутний момент диска для двох наступних випадків:
а) магніт закріплений на диску та обертається разом з ним;
б) магніт нерухомий (підвішений на нитках до верхньої стійки, а прокладка П видалена).
Отримані з досвіду залежності електромагнітних моментів від струмів практично збіглися. У разі "б" магніт М не відчував моменту реакції (нитки не закручувалися).
Схему другої лабораторної моделі наведено на рис. 8. Мідний Диск Д і дископодібний магніт М можуть приводитися у обертання від допоміжного двигуна т. Чутливий вольтметр підключений за допомогою дванадцяти щіток До периферії мідного диска і однією щіткою До осі валу. Вимірювання напруги були зроблені для наступних трьох випадків:
а) диск нерухомий, магніт обертається зі швидкістю n;
б) диск та магніт обертаються зі швидкістю n;
в) магніт нерухомий, диск обертається із швидкістю n.
У разі "а" напруга була відсутня, у випадках "б" і "в" в диску індуктувалися напруги, рівні за величиною. Описані досліди показують, що наведення ЕДС в диску не пов'язане з обертанням магніту.
Висновок формул визначення ОДС в уніполярних машинах полягає в загальновизнаному спрощеному розгляді фізичних явищ, які, тим щонайменше, дають правильні кількісні результати.
Припустимо, що диск з радіусом R (див. рис. 5) обертається з рівномірною кутовою швидкістю, а магнітне поле спрямоване вздовж осі і розподілене рівномірно по всій поверхні диска з індукцією, рівною В. Якщо в деякий момент часу уявний промінь займав положення ОР (див. рис. 5), а через проміжок часуdtперемістився вположення 0Q, зміна магнітного потоку в результаті спотворення контуру OPG в OQG складе
Тоді е. д. с, наведена в контурі, буде
Враховуючи, що лінійна швидкість на коло диска v = R(i), знайдемо
Аналогічний результат виходить, якщо визначити е.р.с. з умови перетину магнітного потоку відрізком радіусу AR. а саме
Якщо лінійну швидкість обертання виразимо через число обертів диска за секунду
то після підстановки в (1) знайдемо
де 5 -площа диска, яка пронизується магнітним потоком.
Рівняння (2) можна представити у такому зручному вигляді:
Таким чином, електрорушійна сила, яка індуктується в диску, що обертається, пропорційна швидкості обертання диска і пронизує його магнітного потоку. Наприклад, якщо Ф = 0.1 Вб, V = 501/с, то е = 5v.
Як зазначалося, попри обертання циліндричного магніту, його полі змінюється у часі. Застосовуючи раніше висловлені міркування до променя ОР (ом. рис. 6), що переміщається разом з ротором щодо поля, дійдемо висновку, що у зовнішньому контурі повинен протікати постійний струм,
Вище під час розгляду схем нами передбачалося обертання диска заданим. Схеми подібного типу оборотні тому, що можуть працювати як і генераторному, і у руховому режимах. Електромагнітний крутний момент, що розвивається машиною, пропорційний добутку струму на робочий магнітний потік.