Физика как сделать двигатель

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

Большинство современных изобретателей имеют представление о законах термодинамики, знают, что они не могут их нарушать, и понимают, что perpetua mobilia нарушает первый и второй законы. Но это не останавливает их от попыток и заявлений о достижении невозможного.

Когда речь заходит о вечном двигателе, обычно имеется в виду система, вырабатывающая больше энергии, чем потребляющая. Создав настоящий вечный двигатель можно было бы обеспечить вечный источник энергии.

Вечный двигатель. Научная фантастика? Или мы действительно сможем его построить? В прошлом было много заявлений о таких устройствах, и все они, мягко говоря, не соответствовали действительности. Смогут ли наши современные знания физики и Вселенной открыть реальные возможности создания вечного двигателя в будущем?

К сожалению, у реального мира и фундаментальных законов физики отношение к вечному двигателю неизменно. Такая машина невозможна, так как она нарушила бы первый или второй закон термодинамики (этот внутренний стон вряд ли будет вашим последним).

Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, поэтому, если вы не добавляете энергию в систему, вы не можете забирать энергию и ожидать, что система будет работать бесконечно.

Второй закон термодинамики относится к энтропии, определяя, что полная энтропия системы всегда будет увеличиваться с течением времени. Некоторая энергия всегда теряется из-за трения или иным образом рассеивается, поэтому не вся энергия создается в виде работы.

Первый закон термодинамики является выражением одного из наиболее общих законов природы – закона сохранения и превращения энергии в приложении к определенному и очень распространенному классу физических явлений. Энергия – это универсальная мера движения материи, которая остается постоянной при любых ее превращениях. Закон сохранения энергии говорит о несотворимости и неуничтожимости движения материи. Законы в науке отражают устойчивые, повторяющиеся связи между явлениями. В то же время законы имеют разную степень общности. Закон сохранения энергии относится к разряду наиболее фундаментальных законов природы. Он свидетельствует не только о сохранении материи и ее движения, но и о ее способности к качественным превращениям.

Конструкция настоящего вечного двигателя должна подчиняться следующему:

Трению - нет. Между движущимися частями не должно быть трения. Трение лишит машину энергии, которая будет потеряна в виде тепла или света. Вы можете сделать поверхности деталей как можно более гладкими, но все равно останутся микроскопические дефекты, которые вызовут трение. Всякий раз, когда две части трутся друг о друга, будет выделяться тепло. Согласно законам термодинамики кинетическая энергия преобразуется в тепловую и теряется в системе.
Машина должна работать в вакууме, то есть без воздуха. Воздух, как и другие движущиеся части, будет тереться о движущуюся машину, создавая трение, что приводит к небольшой, но важной потере энергии в машине. Со временем, даже если бы это было единственное трение, машина потеряет всю свою кинетическую энергию.
Устройство должно быть абсолютно бесшумным - любой звук является также потерей энергии в системе. Это, как и два других пункта, в конечном итоге лишит машину ее кинетической энергии.

Даже с учетом предполагаемой неспособности вечного двигателя нарушить законы физики, это не остановливало амбициозных изобретателей от попыток добиться этого.

Бхаскара II: ртуть в колесе

Один из первых проектов вечного двигателя создан в XII веке — индийский математик и астроном Бхаскара II создал колесо с прикрепленными к нему сосудами, заполненными ртутью.

Вероятнее всего, для ученого это был лишь символ вечного круговорота бытия (сансара).

Рассмотрим некоторые из самых интересных примеров предложенных вечных двигателей в истории. Некоторые из них являются мистификациями, а другие - подлинными попытками создать эти фантастические машины.

Этот список далеко не исчерпывающий и в нем нет определенного порядка.

Эта вращающаяся шестерня приводила в действие меньшую шестерню, если снять грузы, машина останавливалась. Редхеффер был настолько доволен своей машиной, что лоббировал в штате Пенсильвания создание более крупной машины. Государство, как оказалось, весьма разумно направило двух инспекторов для расследования потенциальных инвестиций.

Когда инспекторы прибыли, они обнаружили машину в запертой комнате, которую можно было увидеть только через окно. Один из инспекторов, Натан Селлер, взял с собой сына-подростка который заметил, что шестерни в машине работают как-то странно. Винтики и шестерни выглядели изношенными. Это означало, что вал, грузы и шестерня не приводили в движение меньшую шестерню, а неравномерная скорость движения механизма, свидетельствовавала о том, что двигатель приводился в действие с помощью сторонней энергии.

Натан поверил сыну и решил, что машина - подделка. Вместо того, чтобы предать гласности свою догадку, он нанял Исайю Люкенса, местного инженера, для создания собственной версии машины, используя скрытый часовой двигатель в качестве источника энергии. Люкенс успешно сконструировал подобное устройство с, казалось бы, прочным основанием и квадратным стеклом вверху. Устройство имело четыре декративные деревянные наконечника, крепившиеся поверх стекла, прикрепленного к деревянным столбам.

Один из этих наконечников на самом деле был заводным устройством. Двигатель вращал вал и, таким образом, приводил в действие шестерни. Люкенс показал Редхефферу копию машины, который был так поражен ее работой, что предложил деньги, чтобы узнать, как она работает.

В конце концов мошенник был разоблачен. Выяснилось, что на запертом чердаке сидел старик и вращал ручку устройства. Редхефферу пришлось спасаться бегством.

Вечный двигатель епископа Джона Уилкинса

Это вызвало большой энтузиазм и интерес к экспериментам в области магнетизма. Однако многие неправильно поняли это загадочное явление. Иоганн Кеплер попытался применить теорию для объяснения движения планет.

Уилкинс же долгие годы отстаивал возможность постройки вечного двигателя на базе магнитов. В качестве доказательства верности своих представлений Уилкинс использовал эскиз двигателя, состоящего из магнита, железного шарика и специальных дорожек (желобов).

Как должен был работать вечный двигатель Уилкинса? Сильный магнит помещается на колонке. К ней прислонены два наклонных жёлоба, один под другим, причём верхний имеет небольшое отверстие в верхней части, а нижний изогнут. Если на верхний жёлоб положить небольшой железный шарик, то вследствие притяжения магнитом он, по замыслу Уилкинса, покатится вверх, однако, дойдя до отверстия, провалится в нижний жёлоб, скатится по нему, поднимется по конечному закруглению и вновь попадёт на верхний жёлоб. Таким образом, шарик будет бегать непрерывно, осуществляя тем самым вечное движение.

Здесь сразу видна вся абсурдность этого изобретения. Почему шарик будет скатываться вниз? Он скатывался бы, если бы был только под действием силы тяжести. Но на него действует магнит, который тормозит его спуск, и, следовательно, шарик не будет иметь достаточно энергии для того, чтобы прокатиться по закруглению и начать цикл сначала.

Успешный опытный образец Уилкинсу, разумеется, построить не удалось, но до самой смерти епископ полагал, что на основе его любимой конструкции все-таки можно построить вечный двигатель.

Сегодня нам сложно понять, почему в то время к этому устройству относились столь серьезно. Но, еще интереснее, то, что даже сегодня эта базовая концепция все еще используется в современных решениях вечного двигателея, так называемых магнитных двигателях.

Машина Уилкина - хороший пример того, как мы должны осознавать, что некоторые предложения могут предупреждать нас о тщетности этого квеста.

Основная конструкция этих игрушек состоит из двух стеклянных колб, соединенных отрезком стеклянной трубки. Чуть более половины пространства внутри стеклянных колб и трубки заполнено жидкостью, обычно окрашенной в вакууме. Эта жидкость представляет собой дихлорметан или метиленхлорид, который имеет очень низкую температуру кипения.

Это создает перепад давления в этой части устройства в соответствии с законом идеального газа. Более высокое давление в хвостовой части выталкивает жидкость вверх по шее, что делает головную часть устройства тяжелой - голова касается жидкости. При этом хвостовая часть поднимается над поверхностью жидкости.

Затем давление выравнивается, вытесняя жидкость по мере продвижения. Это увеличивает вес хвостовой части, и птица возвращается в вертикальное положение, готовая к тому, что весь процесс начнется заново.

В конце концов, откуда берется энергия? Ответ - температура окружающего воздуха. Если бы вода не испарялась, то птичка бы и не двигалась. Для испарения из окружающего пространства потребляется энергия (сосредоточенная в воде и окружающем воздухе). Таким образом, это не вечный двигатель, поскольку его работа полностью зависит от внешних источников энергии.

Этот пример учит нас всегда искать источник энергии, если он не очевиден сразу.

Принцип, лежащий в основе чаши, на самом деле довольно прост: вес жидкости в сосуде значительно превышает вес жидкости, содержащейся в горловине сосуда, это вызывает перепад давления, из-за чего вода поднимается вверх по горловине сосуда. Таким образом, жидкость вынуждена течь, чтобы компенсировать разницу в весе (гидростатическое давление). Если этой компенсации достаточно для подъема жидкости от горловины к верхней зоне, где заканчивается труба, система приобретает непрерывное поведение для компенсации разницы давлений. К сожалению, теоретические основы неверны, потому что они путают вес с давлением, и поэтому это никогда не сработает.

Вода в большей части чаши должна своим весом давить на воду в меньшей части, заставляя ту выливаться обратно в большую, и так бесконечно. Разумеется, те, кто учил физику в школе, сразу же поймут, что это бред не возмоэно. Вода установится на одном уровне как в большей, так и в меньшей части чаши.

Уильям Крукс предположил, что световые фотоны толкают лопасти мельницы за счет радиационного давления. Он построил первый рабочий прототип в 1873 году, но, к сожалению, вывод Крука был неверным.

Более разумное объяснение пришло несколько лет спустя, когда Осборн Рейнольдс предположил, что световые фотоны нагревают молекулы газа на одной стороне лопастей, которые затем перетекают в молекулы более холодного газа на обратной стороне, тем самым поворачивая их.

На самом деле причиной вращения служит радиометрический эффект - возникновение силы отталкивания за счёт разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещённую, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную.

Сам Крукс неверно предположил, что силы, воздействующие на лопасти, связаны с давлением света. Эту теорию первоначально поддерживал Джеймс Максвелл, который предсказал существование силы света. Такое объяснение еще часто встречается в инструкциях, поставляющихся вместе с устройством. Первый эксперимент, опровергший эту теорию, был проведен Артуром Шустером в 1876 году, который заметил, что на стеклянную колбу радиометра Круткса оказывала действие сила в направлении, противоположном вращению лопастей. Это показало, что сила, поворачивающая лопасти, создавалась внутри радиометра. Если давление света было причиной вращения, то чем выше вакуум в колбе, тем меньше будет сопротивление воздуха движению, и тем быстрее лопасти должны вращаться. В 1901 году с помощью более совершенного вакуумного насоса российский ученый Петр Лебедев доказал, что радиометр работает только когда в колбе находится газ под низким давлением; в высоком вакууме лопасти остаются неподвижными. Действительно, если давление света было бы движущей силой, то радиометр вращался в обратном направлении, так как фотон, отраженный светлой стороной лопасти, передаст ей больше момента, чем фотон, поглощенный темной стороной. На самом деле давление света слишком мало, чтобы привести лопасти в движение.

Итак, сможем ли мы когда-нибудь построить настоящий вечный двигатель? Кажется, по крайней мере на данный момент, это маловероятно. Но, это точно, не остановит многих начинающих изобретателей в будущем от хотя бы попыток.

В наличии Плакаты бронетехники, набор постеров стрелкового оружия, боевой техники. Если вы неравнодушны к авиации, то вас, наверняка, заинтересуют постеры с боевыми, транспортными или пассажирскими самолетами.

Вы знали, что если в согнутую дугой трубу положить сухого спирта, подуть воздухом из компрессора и подать газ из баллона, то она взбесится, будет орать громче взлетающего истребителя и краснеть от злости? Это образное, но весьма близкое к истине описание работы бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя – настоящего реактивного двигателя, построить который под силу каждому.

Бесклапанный ПуВРД — удивительная конструкция. В ней нет движущихся частей, компрессора, турбины, клапанов. Простейший ПуВРД может обойтись даже без системы зажигания. Этот двигатель способен работать практически на чем угодно: замените баллон с пропаном канистрой с бензином — и он продолжит пульсировать и создавать тягу. К сожалению, ПуВРД оказались несостоятельными в авиации, но в последнее время их всерьез рассматривают как источник тепла при производстве биотоплива. И в этом случае двигатель работает на графитовой пыли, то есть на твердом топливе.

Наконец, элементарный принцип работы пульсирующего двигателя делает его относительно безразличным к точности изготовления. Поэтому изготовление ПуВРД стало излюбленным занятием для людей, неравнодушных к техническим хобби, в том числе авиамоделистов и начинающих сварщиков.

Несмотря на всю простоту, ПуВРД — это все-таки реактивный двигатель. Собрать его в домашней мастерской весьма непросто, и в этом процессе немало нюансов и подводных камней. Поэтому мы решили сделать наш мастер-класс многосерийным: в этой статье мы поговорим о принципах работы ПуВРД и расскажем, как изготовить корпус двигателя. Материал в следующем номере будет посвящен системе зажигания и процедуре запуска. Наконец, в одном из последующих номеров мы обязательно установим наш мотор на самодвижущееся шасси, чтобы продемонстрировать, что он действительно способен создавать серьезную тягу.

От русской идеи до немецкой ракеты

Чтобы работать было приятно и безопасно, мы предварительно очищаем листовой металл от пыли и ржавчины с помощью шлифовальной машинки. Края листов и деталей, как правило, очень острые и изобилуют заусенцами, поэтому работать с металлом надо только в перчатках.

Конечно же, речь идет о клапанных пульсирующих двигателях, принцип действия которых понятен из рисунка. Клапан на входе в камеру сгорания беспрепятственно пропускает в нее воздух. В камеру подается топливо, образуется горючая смесь. Когда свеча зажигания поджигает смесь, избыточное давление в камере сгорания закрывает клапан. Расширяющиеся газы направляются в сопло, создавая реактивную тягу. Движение продуктов сгорания создает в камере технический вакуум, благодаря которому клапан открывается, и в камеру всасывается воздух.

В отличие от турбореактивного двигателя, в ПуВРД смесь горит не непрерывно, а в импульсном режиме. Именно этим объясняется характерный низкочастотный шум пульсирующих моторов, который делает их неприменимыми в гражданской авиации. С точки зрения экономичности ПуВРД также проигрывают ТРД: несмотря на впечатляющее отношение тяги к массе (ведь у ПуВРД минимум деталей), степень сжатия в них достигает от силы 1,2:1, поэтому топливо сгорает неэффективно.

Прежде чем отправляться в мастерскую, мы начертили на бумаге и вырезали шаблоны разверток деталей в натуральную величину. Осталось лишь обвести их перманентным маркером, чтобы получить разметку для вырезания.

Горючая смесь в ПуВРД сгорает с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией (в отличие от сверхзвукового — детонации). При воспламенении смеси горючие газы вырываются из обеих труб. Именно поэтому и входная, и выходная трубы направлены в одну сторону и сообща участвуют в создании реактивной тяги. Но за счет разницы длин в тот момент, когда давление во входной трубе падает, по выходной еще движутся выхлопные газы. Они создают разрежение в камере сгорания, и через входную трубу в нее затягивается воздух. Часть газов из выходной трубы также направляется в камеру сгорания под действием разрежения. Они сжимают новую порцию горючей смеси и поджигают ее.

При работе с электрическими ножницами главный враг – вибрации. Поэтому заготовку нужно надежно фиксировать с помощью струбцины. При необходимости можно очень аккуратно погасить вибрации рукой.

Актуальность: На сегодняшний день практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы электродвигатели, поэтому мне стало интересно, как они устроены и получится ли у меня самостоятельно собрать простейшую модель электродвигателя.

Объект исследования : электромагнитный двигатель.

Цель: познакомиться с историей и устройством электромагнитного двигателя, самостоятельно изготовить модель простейшего электромагнитного двигателя, являющиеся стартовой точкой создания современных электродвигателей.

Задачи:
- познакомиться с историей развития электродвигателя;

- выяснить принципы работы электродвигателя;
- изучить область применения электродвигателей;
- изготовить модель электродвигателя;

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки.

Перед тем, как начать опыт я познакомилась с историей создания электродвигателей; рассмотрела конструкцию и принцип работы двигателя Бориса Семёновича Якоби, а также собрала информацию о применении электродвигателей.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

История создания электродвигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электродвигателей. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История электродвигателя - сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя. Многие исследователи предлагали различные конструкции электродвигателей.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджема (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в соленоидах, заменявших собой цилиндр).

Дж. Генри предложил в 1832 г. модель двигателя с возвратнопоступательным движением: подвижный электромагнит поочередно притягивался к постоянным магнитам и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов. Он совершал 75 качаний в минуту. Было еще много попыток создания двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить двигатель с вращательным движением якоря.

Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 г. этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки

с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

– применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;

– электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.

Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.). Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным.

Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время. Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался. По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.

ДВИГАТЕЛЬ БОРИСА СЕМЁНОВИЧА ЯКОБИ

Борис Семенович Якоби (Мориц Герман, как он именовался до приезда в Россию) родился 21 сентября 1801 г. в Потсдаме. Высшее образование получил по специальности архитектор-строитель. Наряду с работой в строительном департаменте Пруссии Якоби с увлечением занимался исследованиями в области электромагнетизма. В 1834 г. он создал модель электродвигателя.

Внешний вид первого двигателя Якоби показан на рисунке. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов, один из которых располагался на подвижной раме, другой – на неподвижной.

В качестве источника питания электродвигателя, применялась Якоби батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор.

Коммутатор представлял собой оригинальную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех. металлических колец, установленных на валу и изолированных от него ; каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись изолирующими вкладками; каждое кольцу было смещено на 45 по отношению к предыдущему.
По окружности кольца скользил рычаг 5, представляющий собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца А раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и то же направление.
Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала и электромагниты поочередно притягивались 11 отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.
На рис стрелками указаны направления токов для данного положения вала.

Электродвигатели применяются как главная составляющая электро-привода различных станков, так и в составе с отдельными установками, где необходимо преобразование электрической энергии в механическую (движение) например: вентиляторы с клиноременной передачей, косилки различных модификаций и т.д. Низковольтные асинхронные электродвигатели общего назначения мощностью 0,25. 400 кВт, именуемые во всем мире стандартные асинхронные двигатели, составляют основу силового электропривода, применяемого во всех областях человеческой деятельности. Их совершенствованию в промышленно развитых странах придают большое значение. В настоящее время рынок, призванный отражать интересы потребителей, не формулирует сколько-нибудь определенных требований к стандартным асинхронным двигателям, кроме ценовых. В связи с этим для выявления тенденций их совершенствования необходимо исходить из требований внешнего рынка и из достижений основных производителей стандартных асинхронных двигателей.

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Асинхронный двигатели широко применяются в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других видов станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СВОИМИ РУКАМИ

Для того чтобы сделать электродвигатель из батарейки, нам понадобятся:

-соединительные провода с зажимами;

Суть моего опыта:

Для катушки необходим неизолированный медный провод диаметром от 0.6 до 1 мм. Для намотки катушки потребуется цилиндрический каркас (батарейка), на который наматывается 10-15 витков, оставляя свободными по 40 мм провода с каждого конца. Свободные концы провода необходимо обернуть вокруг витков катушки таким образом, чтобы скрепляющие витки были симметрично расположены друг относительно друга. Помимо создания дополнительного магнитного поля эти витки помогут сохранить форму катушки.

Катушка (подвижная часть электродвигателя) размещается на двух держателях. Держатели изготавливают из неизолированного провода диаметром от 1 мм. Помимо функции поддержания катушки, держатели позволяют проходить электрическому току через катушку.

Свободным концом держатели присоединяются к полюсам аккумулятора так, чтобы образовывался замкнутый контур. Основанием электродвигателя служит деревянный брусок. Магнит необходимо устанавливать в непосредственной близости от катушки. Общий вид электродвигателя приведен на рисунке в приложении к работе.

Катушке необходимо придать начальный вращающий момент аккуратно крутнув ее.

Задачи, поставленные мною в начале работы, были решены, цель достигнута.

-Я познакомилась и историей развития электродвигателей, узнала, что история создания электродвигателей уходит в глубокую древность, узнала, как выглядели первые двигатели, как они работали и какие ученые работали над созданием электромагнитных двигателей.

- изучила область применения электродвигателей, и узнала, что почти во всех отраслях технологий и труда используются электромагнитные двигатели;
- изготовила простейшую модель электродвигателя, наглядно показала, как работает установка.

Проведя большую работу по изучению литературы о создании первых электродвигателей, о физических принципах их работы, о внедрении их сегодня во все отрасли жизни, я могу с уверенностью сказать, что электродвигатель действительно является современным альтернативным изобретением.

Процесс сбора и изучения информации, а так же изготовление модели мне были очень интересны, результатом проделанной работы я осталась довольна.

Недостижимая мечта любого инженера. Философский камень механики. Инструмент ловких мошенников и атрибут множества фантастических произведений. Знакомьтесь: вечный двигатель.

Однако когда речь заходит о вечном двигателе, обычно имеется в виду система, вырабатывающая больше энергии, чем потребляющая (теряющая ее на трении, сопротивлении воздуха и т. п.), благодаря чему ее можно использовать для каких-либо бытовых нужд. До изобретения паровых или электрических приводов единственным универсальным и мобильным источником энергии были мускулы. Пружинные и маятниковые механизмы годились лишь для приложения малой силы в течении длительного времени (часы). Самыми мощными стационарными двигателями были водяные и ветряные мельницы.

Бхаскара II: ртуть в колесе.

Вечные двигатели да Винчи (кодекс Форстера II, стр.90-91) и их современные модели

О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов создали вы при подобных исканиях! Станьте лучше алхимиками!

Леонардо да Винчи

Вместе с тем Леонардо оставил чертежи водяной мельницы, вращаемой поднимаемой ею же водой, не снабдив их критическими комментариями. Считал ли он возможным вечный двигатель на воде — неизвестно.

Марк Зимара, как и Дон Кихот, сражался с ветряными мельницами.

Трудно сказать, насколько качественно она была исполнена (к примеру, часы Atmos разрабатывались лучшими швейцарским инженерами в течение нескольких десятков лет). Но, учитывая, что Дреббел был невероятно талантлив (построил микроскоп с двумя линзами, подводную лодку для английского флота, изобрел инкубатор для цыплят с термостатом, автоматически регулирующим температуру, а также пытался создать воздушный кондиционер), разумно предположить, что его часы могли работать без поломок многие месяцы, если не годы.

Последний, самый яркий период классического вечного двигателестроения пришелся на середину 18 века, а именно — на жизнь Иоганна Эрнста Элиаса Бесслера (1680—1745), придумавшего себе псевдоним Orffyreus (криптограмма Bessler).

Это был очень странный человек — хвастливый, надоедливый, занудный, с дурным характером и замашками параноика. По дошедшим до нас свидетельствам, он работал часовщиком. В 1712 Бесслер заявил, что овладел секретом вечного движения. Вначале он попытался показать безостановочное колесо с небольшим грузом жителям маленького немецкого городка Гера, но провинциалов это зрелище не впечатлило.

Бесслер стал разъезжать по стране, публиковать научные трактаты и строить более крупные модели своего двигателя. По каким-то причинам он не хотел делать компактные модели, а конструировал деревянные колеса диаметром около 4 метров. Его кипучая деятельность привлекла интерес ученых. Демонстрационные образцы мега-колес тщательно исследовались, но никаких признаков шарлатанства не обнаружилось.

Колеса Бесслера, собранные им в замке Вайсенштайн.

Было решено провести полномасштабный эксперимент. 12 ноября 1717 года в присутствии представителей власти одно из вращающихся колес диаметром 3,5 метра было размещено в комнате замка Вайсенштайн, а все окна и двери наглухо заперты. Две недели спустя комнату открыли. Колесо все еще крутилось. Тогда помещение было запечатано вплоть до 4 января 1718 года. Год спустя люди вошли в комнату и увидели, что колесо продолжает вращаться с той же самой частотой.

Это было уже интересно. Лондонское королевское общество захотело купить изобретение. Бесслер с ходу запросил двадцать тысяч фунтов (гигантские по тем временам деньги). Колесо решили проверить еще раз, но Бесслер внезапно впал в ярость и разломал свое творение — якобы для того, чтобы другие ученые не смогли украсть его идеи.

Изобретатель продолжил путешествия по стране, демонстрируя различные модели колес: вращающиеся только в одну сторону и останавливаемые лишь с очень большим усилием, а также вращающиеся в любую сторону и останавливаемые без всякого труда. В 1727 году служанка Бесслера заявила, что его механизмы приводились в движение человеком из другой комнаты. Проверить эти показания так и не удалось, но репутация инженера была навсегда подорвана. Бесслер умер, свалившись с сооружаемой им ветряной мельницы. Он оставил после себя непонятные шифрованные заметки и вынудил потомков гадать — был ли он безумцем, эксцентричным гением или гениальным фокусником?

В 19 веке увлечение вечными двигателями несколько спало — наука шла вперед, поэтому такие устройства все чаще становились инструментом обмана. Так, американец Чарльз Редхеффер из Филадельфии за 1 доллар показывал всем желающим сложную маятниковую машину вечного движения — правда, через зарешеченное окно. Местные жители подкупили одного механика, чтобы тот сделал копию двигателя Редхеффера — но с потайной пружиной внутри.

Увидев клон своего детища в действии, Чарльз запаниковал и бежал в Нью-Йорк, где его разоблачил знаменитый изобретатель Роберт Фултон. Последний заметил, что машина работает прерывисто и нашел ременной привод, ведущий от нее в соседнюю комнату с человеком, крутящим рычаг.

Машина Кили. Ему предлагали сотрудничать с Эдисоном или Тесла, но Кили, естественно, отказывался.

Еще один американец — Джон Кили (1827—1898) — заявил, что энергию можно извлекать из эфира за счет вибраций камертона. Его обвиняли в мошенничестве и даже в колдовстве, но ловкач умудрился 27 лет дурачить инвесторов, выманивая у них деньги на построение промышленного образца двигателя. Лишь после того, как Кили угодил под трамвай, выяснилось, что его макеты работали на сжатом воздухе. Мошенник нарушил много законов — но только не термодинамики.

Изобретение Морея. Он, как и Тесла, якобы смог получить энергию из ничего.

Машина работала несколько дней подряд. Эксперты изучали ее вдоль и поперек, но никто не мог найти источника энергии. Промышленники захотели купить ее, Морей отказался, и единственный рабочий экземпляр был уничтожен. Позднее ученый жаловался, что в него несколько раз стреляли, его семье угрожали, а лаборатории периодически громились. Секрет устройства, собиравшего космическую энергию (в чем бы он ни заключался), изобретатель унес с собой в могилу.

Изобретатель Джозеф Ньюман охотно продает свои машины. Они работают на батарейках и выдают больше электричества, чем получают. Замкнуть цикл (чтобы избавиться от необходимости в батареях) изобретатель почему-то не хочет.

Подозрительные типы

Физики делят вечные двигатели на два типа.

Двигатель второго типа полностью преобразует окружающее тепло в работу, игнорируя второе начало термодинамики. Сегодня высказываются предположения о том, что создание некоего подобия такого устройства все же возможно, если речь идет о преобразовании не просто тепла, а темной энергии или темной материи, из которой создана наибольшая часть нашей Вселенной.

Вечные двигатели в фантастике можно тоже поделить на четыре категории.

Ещё один вид устройств, которые можно принять за вечный двигатель, — преднамеренно усложненные механизмы длительного действия, выполняющие какую-либо примитивную задачу. Обывателю трудно понять цель и принципы их работы.

Это интересно

Часы Артура Беверли.

Существуют игры, позволяющие почувствовать себя сумасшедшим ученым, — например, The Incredible Machine (TIM) или Armadillo Run. Последняя якобы более реалистична, однако и в том, и в другом случае программы просчитывают физику таким образом, что умелый игрок может сконструировать вечный двигатель.

TIM и Armadillo Run.

В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Униполярный двигатель" ученик 10 класса раскрыл понятие "униполярный двигатель" и "униполярная индукция", а также проследил связь между электричеством и магнетизмом, описал принцип работы униполярного двигателя и особенности этого механизма.

Подробнее о проекте:

В ученической исследовательской работе по физике "Униполярный двигатель" автор изучил вклад в развитие учений об униполярных двигателях и совершенствование их работы таких выдающихся ученных в области физики, как Майкл Фарадей и Никола Тесла. В рамках проекта было рассмотрено такое явление, как "Парадокс Фарадея" и дано его практическое объяснение.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Униполярный двигатель" автор дает определение и описывает принцип работы самоподдерживающего генератора и униполярного, а также рассматривает планету Земля в качестве природного униполярного индуктора. Практическая часть исследования была проведена с целью на простейших устройствах понять, как работает униполярный двигатель.

Введение
1. Из истории развития униполярных двигателей.
1.1 Открытия Майкла Фарадея.
1.2 Парадокс Фарадея.
1.3 Никола Тесла.
1.4 Самоподдерживающий генератор.
2. Принцип действия униполярного генератора.
3. Эксперимент.
Заключение
Литература

Введение

Двигатель — это прибор, который преобразует любую энергию в механическую. Самым любопытным для меня стал двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую.

В промышленных униполярных генераторах используются не постоянные магниты, а тороидальные катушки возбуждения. В экспериментальных установках получают ток до миллиона ампер. Особый класс униполярных генераторов составляют ударные униполярные генераторы, которые при торможении дают очень большие и короткие импульсы тока. Например, от такого генератора питается ТОКАМАК в Канберрском университете в Австралии. Такие мощные импульсы тока хороши для питания перспективных электромагнитных орудий сверхвысокой кинетической энергии.

Мне показалось, что униполярные двигатели имеют перспективу развития, поэтому мною и была выбрана данная тема исследования. Прежде всего я поставил перед собой цели и задачи, которые надеюсь решить в результате данной работы.

Цель работы: понять связь между электричеством и магнетизмом.

Узнать подробнее об изобретателях Майкле Фарадее и Николе Тесле.
На простейших устройствах понять, как работает униполярный двигатель, изучить теорию униполярной индукции, расширить свои знания по физике.

Открытие Майкла Фарадея

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791года в Лондоне.

Всемирную славу М. Фарадею принесли электрические исследования.

Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. В этом же году Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током приходит в непрерывное вращение. Ученому пришлось проявить немало изобретательства, чтобы придумать такое расположение проводника, при котором действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадея безостановочно вращался, пока цепь была замкнута. Это был первый электродвигатель, который потом назовут униполярным. Он заработал в декабре 1821 года.

Установка Фарадея: к металлическому коромыслу подвешены две проволоки, левая неподвижно соединенная с коромыслом, а правая закреплена так, что может вращаться. Концы проволок опущены в чашечки с ртутью, в которых вертикально установлены полосовые магниты так, что магнит слева может вращаться, а правый закреплен неподвижно. При замыкании цепи магнит слева вращается вокруг неподвижного проводника; в правой чашечке проводник вращается вокруг неподвижного магнита.

Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей делает набросок пером на бумаге и строит первый в мире униполярный электрогенератор, наиболее сложный по принципу действия. Радиус вращающегося диска проходит сквозь магнитное поле и вдоль радиуса генерируется ЭДС. Электрические заряды одного знака скапливаются на периферии, а заряды противоположного знака – на оси диска. Если замкнуть цепь с помощью скользящих контактов, то возникает ток от оси вдоль радиуса и через внешнюю цепь назад к оси.

Подобный генератор работает неплохо, но в нем не особенно эффективно использованы конструкционные материалы и занимаемое пространство. С немалыми трудностями связано снятие больших токов с помощью скользящих контактов. Униполярный генератор, предложенный Фарадеем, был очень красив по принципу действия, но не был удобен для практического использования. В лучшем случае он мог служить изящным украшением физических лабораторий, никому и в голову не приходило, что устройство можно использовать практически.

Парадокс Фарадея

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался.

Наибольшее жеудивление вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается ниже в таблице 1. Восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита

Магнит	Диск	Внешняя цепь	Напряжение
Неподвижен	Неподвижен	Неподвижен	Отсутствует
Неподвижен	Вращается	Неподвижен	Есть
Неподвижен	Неподвижен	Вращается	Есть
Неподвижен	Вращается	Вращается	Не определено
Вращается	Неподвижен	Неподвижен	Отсутствует
Вращается	Вращается	Неподвижен	!Есть
Вращается	Неподвижен	Вращается	Есть
Вращается	Вращается	Вращается	Не определено

Никола Тесла. Самоподдерживающий генератор, или секреты униполярной индукции

Последовательное же объяснение явления униполярной индукции даётся работами Н. Тесла.

Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился 10 июля 1856 в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891г получил гражданство США. По национальности — серб.

Именем Н. Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). Среди многих наград учёного — медали

Э. Крессона, Дж. Скотта, Т. Эдисона.

Униполярный двигатель-генератор Тесла относится к дисковым динамо - машинам первоначально исследованным М. Фарадеем.
Никола Тесла в 1889 г. запатентовал собственное устройство, работающее на принципе униполярной индукции - Динамо электрическую машину, которая отличалась простотой конструкции и повышенной эффективностью, но основным преимуществом конструкции было оригинальное решение проблемы контактных узлов.

Патент США № 406968. В патенте автор пишет следующее: Чтобы сделать корпус с двумя силовыми магнитными полями, я отливал основание с интегрированными двумя частями магнита - полюсами B. К корпусу я присоединял болтами E к отливке D, с двумя подобными и соответствующими частями магнита - полюсами C. Части полюса B

предназначены для производства силового поля определенной полярности, а части полюса C предназначены для производства силового поля противоположной полярности. Валы управления F и G пронзают полюсы и вращаются в изолированных подшипниках в отливке D. H и K - диски или генерирующие проводники.

Они изготовлены из меди, латуни, или железа и прикреплены к соответствующим валам. Они снабжаются широкой периферийной, отбортовкой J. Конечно, очевидно что диски могут быть изолированными от их валов, если нужно. Гибкий металлический пояс L проходит через фланцы двух дисков, и, если нужно, может использоваться, чтобы вращать один из дисков.

Я предпочитаю, однако, использовать этот пояс просто как проводник, и для этой цели может использовать тонколистовую сталь, медь, или другой соответствующий металл. Каждый вал, снабжается шкивом управления М, через который передается мощность извне.

Принцип действия униполярного генератора

Принцип действия униполярного генератора простой. На электроны, находящиеся в диске, действует Сила Лоренца, являющаяся векторным произведением напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником в результате вращения диска. Сила эта направлена вдоль радиуса диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем.

Наглядное изображение действие Силы Лоренца

Униполярным двигателям и генераторам, как в прошлом, так и в настоящем, уделяется большое внимание. Хотя используются такие моторы и генераторы в специфических условиях. Например, когда надо получить постоянный электрический ток большой величины, но при малом напряжении.

Или получить мотор, работающий от мощных аккумуляторов небольшим напряжением, таких как магнето на автомобилях, тракторах и т.п.

До сих пор не решена загадка движения униполярного двигателя Фарадея. Дело в том, что изобретенный им двигатель вращается вопреки физическим законам. Ученые не могут пока преодолеть парадокс движения. В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет

чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе? равномерность получаемого

тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами? большие собственные потери энергии протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким

проводящим токосъёмником по всему периметру диска. Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов - ушей силы в его двигателе, в котором функционирует вращающийся магнит-ротор.

Любой человек, знакомый с элементами электротехники, знает, что обычные электродвигатели состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора. В качестве статора используются два вида магнитов: постоянный или электромагнит (постоянный или переменный). Как правило, в моторах устанавливается переменный электромагнит. Вращение ротора происходит за счет притягивания и отталкивания его от статора, таким образом, ротору передается непрерывное движение.

Если ротор притягивается к статору, то и статор притягивается к ротору. Если ротор отталкивается от статора, то и статор отталкивается от ротора. На двигателе Фарадея отсутствует статор. Ротору в этом случае не от чего отталкиваться. В соответствии с известными законами физики двигатель не должен вращаться. А он вращается.

Земля – природный униполярный индуктор

Современная наука рассматривает разные гипотезы о причинах земного магнетизма: а) создание токов на поверхности и внутри Земли за счет ее вращения; б) гиромагнитный эффект; в) термоэлектрический ток в ядре; г) теория динамо и др.

Итак, наша планета Земля является вращающимся магнитом, а значит, представляет собой униполярный индуктор (генератор). Свободные электрические заряды ее проводящих сред (ионосфера, моря, недра) подвержены действию силы Лоренца. Возникает глобальное перераспределение зарядов, генерируется ЭДС униполярной индукции. Видимо, это должно влиять на природные процессы на Земле: на климат, электрические явления в атмосфере. Но все это еще нужно изучать.

Эксперимент

источник тока (пальчиковая батарейка), магнит, медные проводники, соединительные провода, вольтметр (амперметр).

Инструкция (процесс сборки и результат)

Поместить магнит на отрицательный контакт батарейки. Используемый в примере магнит 1,25 см в диаметре и 0.65 см толщиной. Подойдет любой магнит похожего размера, но обычные керамические магниты слишком слабые, поэтому лучше использовать неодимовый.
Если проволока имеет изоляцию, то ее необходимо снять. Согнуть проволоку в любую понравившуюся форму, убедившись, что получившийся контур имеет хороший контакт с положительной клеммой батарейки и по окружности магнита. Придание проволоке красивой и функциональной формы требует определенного терпения. За основу можно взять формы приведенные на фотографиях.
Отбалансировать контур на батарейке и, внося в него изменения, добиться чтобы он вращался легко и быстро. Заряда батарейки хватит на несколько минут работы.

Опыт І. (Проведен согласно инструкции)

Результаты эксперимента:

При замыкании цепи наблюдалось быстрое вращение проволочной рамки по часовой стрелке.
При повороте магнита на 180 ? вращение рамки происходит против часовой стрелки.
Если поменять полюса батарейки при вращении рамки против часовой стрелки, то меняется и направление вращения.
При использовании пальчиковой батарейки типа ААА, опыт не удается, необходима более мощная батарейка типа АА.
Форма рамки не влияет на скорость вращения.
При использовании ферритового магнита опыт не удается, необходим сильный неодимовый магнит.

Объяснение: на свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле действует сила Лоренца, направление которой определяется правилом левой руки. В результате образуется пара сил, вращающих проводник. При недостаточно хорошем электрическом контакте и слабой батарейке или магните вращение не очень быстрое.

Шуруп с магнитом подвешен на положительном электроде батарейке. Шуруп намагничивается и прилипает к батарейке острием, один конец провода соединяется с минусом батарейки, второй конец приближаем к головке шурупа с магнитом. Как только контакт касается магнита, шуруп начинает быстро вращаться.

Вывод: хотя конструкция униполярного двигателя проста, для понимания его принципа работы надо хорошо знать теорию электромагнитных явлений

Заключение

Мне нравится заниматься техническими вопросами. Проведя данную работу, я узнал много нового и неожиданного о униполярном двигателе и генераторе, о применение этих устройств. Я столкнулся с практическими проблемами эксперимента: подбор деталей, изготовление рамок, планирование опытов, поиск информации, оформление отчета о работе.

Эта работа еще раз подтвердила, что научная теория и инженерная мысль неразделимы. Подобные безроторные и вообще униполярные двигатели и генераторы (которые я изучал) пока маломощны и имеют невысокий КПД. Но уже сегодня просматриваются области их применения, например, в приборостроении. Особенно привлекает то, что двигатель не имеет статора и реактивного момента. А кроме того, если эти двигатели и генераторы действительно изменят наше представление о магнитном поле, практическая ценность их может оказаться огромной.

Читайте также: