ПОЛЕЗНАЯ ЭНЕРГИЯ ИМПУЛЬСОВ ЭДС САМОИНДУКЦИИ

 

 

 

© Канарёв Ф.М.

Контакт с автором: kanarevfm@mail.ru

Аннотация

Новая теория микромира, детальнее раскрывает процесс формирования магнитных полей вокруг проводов с током и позволяет лучше понимать физическую суть работы электромоторов-генераторов и принципы формирования ими ЭДС индукции и самоиндукции.

____________________________________________________

Рассмотрим процесс формирования магнитных полей в обмотках возбуждения роторов моторов-генераторов. Обмотки роторов и статоров - главные рабочие элементы электромоторов и генераторов, поэтому надо знать физику процессов формирования магнитных полей этими элементами. Так как магнитные поля вокруг проводников с током формируют электроны, то начало намеченного анализа скрыто в структуре электрона (рис. 1), который следует из новой теории микромира [1].

 

Рис. 1. Теоретическая модель электрона (показана лишь часть магнитных силовых линий)

 

Известно, что в одном кубическом сантиметре медного провода находится свободных электронов, а в одном кубическом миллиметре - свободных электронов. Сразу возникает вопрос: какую часть кубического миллиметра провода занимают указанные электроны? Для поиска ответа на этот вопрос возьмём теоретическую величину радиуса электрона . Если предположить, что электрон со своим магнитным полем представляет сферу с радиусом , то тогда его объём будет, равен, примерно, . Поскольку в одном кубическом миллиметре медного провода находится свободных электронов, то их общий объём составит . Это в раз меньше объёма медного провода. Из этого следует представление о достаточности свободного пространства в медного провода для движения в нём свободных электронов. А теперь посмотрим, как ориентируются электроны в проводе под действием напряжения, приложенного к его концам (рис. 2).

Известно, что электроны, движущиеся по проводу, формируют вокруг него направленное магнитное поле. Поскольку стрелка компаса чётко реагирует на изменение направления магнитного поля, то показаний этого древнего прибора достаточно для определения направления движения электронов по проводу (рис. 2).

Рис. 2. Схема эксперимента по формированию магнитного поля вокруг провода

электронами , движущимися в нём

 

На рис. 2 показана электрическая схема, направления проводов которой сориентированы плюсовыми концами на юг (S), а минусовыми - на север (N). При отсутствии тока в проводе направление стрелок компасов А, В, С и D совпадают с направлением правого и левого проводов на север N. При включении тока, вокруг провода возникает магнитное поле, и стрелки компасов отклоняются [1].

Когда электроны движутся по проводу в направлении с юга (S) на север (N), то стрелка компаса A, расположенного над проводом, отклоняется вправо, а стрелка компаса B, расположенного под проводом, – влево (табл. 1).

 

Таблица 1. Углы отклонения стрелок компасов A и B при различных токах (рис. 2)

Ток, I

, град.

, град

1,0 А

34,0

33,0

2,0 А

48,0

50,0

3,0 А

57,0

58,0

 

Из этих элементарных экспериментов следует, что магнитное поле вокруг провода закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент . Наличие модели электрона с известным направлением вектора его магнитного момента (рис. 1) даёт нам основание полагать, что магнитное поле вокруг провода формируется совокупностью магнитных полей свободных электронов, сориентированных вдоль провода таким образом, что направления векторов магнитных моментов каждого электрона совпадает с направлением вектора магнитного момента поля, образующегося вокруг провода (рис. 2 и 3). Из этого эксперимента следует, что магнитное поле вокруг провода при такой его ориентации закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент .

 

 

 

 

Рис. 3. Схемы движения электронов в проводе от плюса (+) к минусу (-) и - формирования на его концах южного (S) и северного (N) магнитных полюсов и магнитного поля

вокруг провода: а) электроны ориентированы вверх; b) электроны ориентированы вниз

 

Чтобы понять принцип взаимодействия магнитных полей, формирующихся вокруг проводов с током, обратим внимание на схему взаимодействия магнитных полей стержневых магнитов (рис. 4).

Рис. 4. Схема взаимодействия магнитных силовых линий стержневых магнитов

 

Как видно (рис. 4, а), у разноименных магнитных полюсов, сближающих друг друга, магнитные силовые линии в зоне контакта полюсов (рис. 4, а, точки а) направлены навстречу друг другу , а у одноименных магнитных полюсов, отталкивающих друг друга (рис. 4, b, точки b), направления магнитных силовых линий в зоне контакта полюсов совпадают [1].

Итак, результаты эксперимента, представленные на рис. 2 и в табл. 1, и анализ взаимодействия силовых линий магнитных полей стержневых магнитов (рис. 4) показывают, что направление магнитного поля, формирующегося вокруг провода, совпадает с направлением вращения свободных электронов в нём (рис. 2, 3), поэтому направление тока в проводах совпадает с направлением движения электронов в них и с направлением их спинов (рис. 3) [1].

Возникает вопрос: как будут взаимодействовать магнитные поля двух, рядом расположенных электронов, если их оси вращения будут параллельны, а спины направлены в одну сторону (рис. 1)? Ответ очевидный – так же, как магнитные поля двух стержневых магнитов с одноимёнными полюсами (рис. 4, В).

 

Конечно, в проводе неисчислимое количество свободных электронов, но мы уверенно можем констатировать, что из приведённой информации следует, что все они принимают ориентированное положение, когда к концам провода приложено напряжение. Если напряжение постоянное, то спины всех электронов направлены от плюсового конца провода (+) к минусовому (-) (рис. 3 и 4). Возникает вопрос: как они взаимодействуют друг с другом, приняв ориентированное положение в проводе? Ответ следует из рис. 1 и 4, b. Так как все свободные электроны выстраиваются вдоль провода в одном направлении, то из рис. 1 следует, что магнитные силовые линии электронов в зонах их возможных боковых контактов направлены в одну сторону, так же, как магнитные силовые линии одноимённых магнитных полюсов стержневых магнитов (рис. 4, b). Из этого следует, что в направлении вдоль провода сориентированные электроны отталкиваются друг от друга. Если показать их увеличенными, то картина будет, примерно такой, как представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема ориентации электронов в проводе

 

Итак, мы сформировали представление, согласно которому, электроны, сориентированные вдоль провода с постоянным напряжением, отталкиваются друг от друга так, что оказываются вблизи поверхности провода. Возникает следующий вопрос: Как взаимодействуют свободные электроны друг с другом в направлении вдоль провода?

Так как в этом случае электроны оказываются в роли постоянных магнитов, сориентированных северными магнитными полюсами в сторону движения, то они движутся вдоль провода под действием приложенного напряжения (рис. 5). Как мы уже отметили, наличие сил отталкивания электронов, имеющих один и тот же отрицательный заряд, друг от друга в плоскости перпендикулярной оси провода, приводит к тому, что они концентрируются ближе к поверхности провода (рис. 5).

Подошла очередь для анализа схем намотки проводов на магнитопроводы электрогенераторов и электромоторов, для формирования магнитных моментов, вращающих их роторы. Однако, мы пока воздержимся от детального анализа указанных схем, а приведём экспериментальные результаты их реализации, основанные на схемах взаимодействия параллельных проводов с токами, представленных на рис. 6. При этом очень важно понимать сходство и разницу схем намотки витков и слоёв проводов. Количество витков в каждом слое и количество слоёв может быть разным. Эти количества зависят от геометрических параметров магнитопроводов и сечений наматываемых проводов.

В экспериментальных исследованиях использовалась вторая модель электромотора-генератора МГ-2 (рис. 7, а). Схемы намотки будем обозначать в соответствии с условностью, представленной на рис. 6 и будем называть их: схема А и схема В.

На рис. 7, а представлено фото ротора электромотора-генератора МГ-2 с намоткой проводов на роторе (рис. 7, b). На рис. 8 – МГ-2 питается импульсами напряжения из аккумуляторов и генерирует импульсы ЭДС индукции и самоиндукции в обмотке статора.

Рис. 6. Схема взаимодействия магнитных полей параллельных проводников с током

Рис. 7. Электромотор-генератор и его ротор

Рис. 8. Электромотор-генератор в работе

Обратим внимание на то, что первый слой витков провода обычно наматывается по схеме А (рис. 6, А). В результате магнитные поля, формируемые электронами между витками первого слоя, также реализуются по схеме А (рис. 6, А), а магнитные поля между витками первого и последующих слоёв – по схеме В. Из этого следует, что магнитные поля витков вокруг провода первого слоя складываются, а магнитные поля вокруг витков первого и второго слоём – вычитаются. Это явно не экономная схема намотки, ослабляющая общее магнитное поле в магнитопроводе ротора.

Если же после намотки первого слоя витков последующие слои наматывать также по схеме А (рис. 6, А) по отношению к первому слою, то, как следует из экспериментальных данных (табл. 2), суммарное магнитное поле в магнитопроводе ротора усиливается, увеличивая его обороты.

 

Таблица 2. Результаты испытаний МГ-2 с разной намоткой ротора

 

Кол-во

витков

Частота вращения,

об/мин

Мощность, Вт

Амплитуды

напряжения на статоре, В

Схемы

намотки

слоёв

 

А-В

А-А

 

А-В

 

А-А

 

А-В

 

А-А

А-В

Индукц.

А-В

Самоин.

А-А

Индукц.

А-А

Самоин.

1 аккум.

12,0, В

40

38

800

820

3,4

3,8

8

45

8,8

72

2 аккум.

24,0, В

40

38

1800

2200

5,6

7,0

20

100

22

140

3 аккум.

36,0, В

40

38

2500

3050

7,5

10,1

30

120

32

210

 

Нетрудно видеть, что изменение схемы намотки ротора ощутимо влияет на энергетические показатели электромотора-генератора. Практически, при одном и том же количестве витков и слоёв намотки на роторе и статоре (табл. 2) На рис. 9 представлены осциллограммы, снятые с клемм ротора и статора МГ-2.

На роторе: частота 2200об/мин.

Скважность импульсов . Напр. ср.=24,3 В; Напр. имп.=24,8 В.

Ток средн.=1,52 А; Ток имп.=8,8 А.

.

.

На статоре: Напр.инд.=22В; Напр.самоинд.=100В;

; .

Производительность электролизёра составила

10,1л/час смеси водорода и кислорода.

Удельные затраты 7,0/10,1=0,70Втч/литр.

Рис. 9. Осциллограммы, снятые с клемм ротора и статора МГ-2

 

Экспериментально установлено, что самыми эффективными потребителями импульсов ЭДС самоиндукции являются электролизёры. Они увеличивают длительность импульсов ЭДС самоиндукции в количество раз, равное их скважности. Так как величина тока, сопровождающего формирование импульсов ЭДС самоиндукции в момент разрыва цепи для подачи напряжения в обмотку возбуждения ротора, значительно меньше величины тока, сопровождающего формирование импульсов ЭДС индукции , то импульсы ЭДС самоиндукции значительно повышают энергетическую эффективность электромоторов-генераторов.

Установлено, что потребителями импульсов ЭДС индукции , генерируемых электромоторами-генераторами, может быть любой потребитель с активным сопротивлением, например, лампочка или заряжаемый аккумулятор. При этом включение лампочек в цепь ЭДС индукции статора совместно с включением ячеек электролизёра в цепь ЭДС самоиндукции статора увеличивает освещённость, формируемую лампочкой, в несколько раз по сравнению с её включением в цепь ЭДС индукции без включения электролизёра в цепь ЭДС самоиндукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Новая теория микромира, формируя новые представления об обитателях микромира, значительно упрощает процесс анализа формирования магнитных полей в электромоторах и электрогенераторах и раскрывает физическую сущность процессов их работы, расхода энергии на вращение роторов и на её генерирование в обмотках статоров.

Литература

1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. Тома I, II и III. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21