«ПРИМЕЧАНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО УНИПОЛЯРНОГО ДИНАМО» в газете «Инженер — электрик», Нью-Йорк, 2 сентября 1891.
Точный перевод заметок Теслы:
* * *
Что характерно для фундаментальных открытий, для больших достижений интеллекта, так это то, — что они сохраняют большую власть над воображением мыслителя. Я имею в виду незабываемый эксперимент Фарадея с вращением диска между двумя полюсами магнита, который принес такой великолепный результат, который долго проверялся в каждодневных опытах; все же есть некоторые топологические элементы в этом зародыше существующих динамо и двигателей, которые даже сегодня обращают на себя внимание, и достойны самого осторожного изучения.
Рассмотрим, например, случай диска из железа или другого металла, вращающегося между двумя противоположными полюсами магнита, и полярными поверхностями, полностью покрывающих обе стороны диска, и примем, что электрический ток снимается и передается контактами равномерно от всех точек края диска. Возьмите сначала случай двигателя. Во всех обычных двигателях вращение ротора зависит от некоторого смещения или изменения общего магнитного притяжения, действующего на ротор, это достигается технологически или некоторым механическим приспособлением на двигателе или воздействием электрических токов надлежащей полярности. Мы можем объяснить вращение такого двигателя так же, как мы можем это сделать для водяного зубчатого колеса.
Но в вышеупомянутом примере диска, окруженного полностью полярными поверхностями, нет никакого смещения магнитного действия, никакого изменения вообще, насколько мы знаем, — и все же вращение происходит. Здесь не работают обычные доводы; мы не можем дать даже поверхностное объяснение, как в обычных двигателях, и принцип действия будет ясен нам только тогда, когда мы поймем саму природу задействованных сил, и постигнем тайну невидимого взаимодействия.
Рассмотренный как динамо машина, диск — довольно интересный объект изучения. В дополнение к его особенности порождения электрических токов одного направления без использования коммутирующих приборов, такая машина отличается от обычных динамо, в которых нет никакого взаимодействия между ротором и полем статора. Ток ротора вызывает намагничивание перпендикулярное направлению электрического тока, но так как электрический ток истекает равномерно из всех точек края, а так же если быть точным, внешняя схема может также разместиться совершенно симметрично к постоянному магниту, никакое взаимодействие просто не может произойти. Это, однако, истинно только для слабых магнитов, поскольку, когда магниты более мощные, оба намагничивания под прямым углом, по-видимому, взаимодействуют друг с другом.
По вышеупомянутой причине, логичен вывод, что для такой машины, для того же самого веса, отдача должна быть намного больше, чем для любой другой машины, в которой ток, протекающий в роторе имеет тенденцию размагничивать поле, создаваемое статором. Экстраординарный вывод Форбеса об униполярном динамо и опыт с устройством подтверждают это представление.
Итак, главный принцип, исходя из которого, такая машина может быть сделана само возбуждающей — поразителен, но это может быть естественным — поскольку налицо отсутствие взаимодействия ротора, и соответственно свободное от возмущений течение электрического тока и отсутствие самоиндукции.
(Dragons’ Lord : Здесь и далее под термином «самовозбуждение» Тесла имеет в
виду сам эффект появления электрического тока в устройстве, т.к. в устройстве его «униполярки»
нет постоянных магнитов, а есть электромагниты. Таким образом «самовозбуждение» не есть (!) аналог
появления СВЕРХЕДИНИЧНОЙ ЭНЕРГИИ, — здесь вообще об этом не упоминается).
Если полюса не закрывают (не охватывают) диск полностью с обеих сторон, то, конечно, если диск должным образом не разделен, механизм будет очень неэффективен. Опять же, в этом случае есть моменты, достойные внимания. Если диск вращается и полевой поток прерван (разорвана цепь, питающая электромагнит), поток через диск ротора продолжит течь и поле магнитов потеряет силу сравнительно медленно. Причина для этого сразу найдётся, когда мы рассмотрим направление токов в диске.
Взгляните на Рис.1, d представляет диск со скользящими контактами B и B’ на оси и периферии. N и S представляют два полюса магнита.
Если полюс N выше, как обозначено на рисунке, диск, предполагаем находящимся в плоскости бумаги, и вращающимся в направлении стрелки D. Ток, установившийся в диске будет течь от центра к периферии, как обозначено стрелкой A. Так как магнитное действие более или менее ограничено зазором между полюсами N и S, другие части диска можно счесть бездействующими. Установившийся ток не будет поэтому полностью проходить через внешний контур I’, но замкнется через диск непосредственно, и вообще, если расположение подобно показанному, безусловно, большая часть произведенного потока не будет проявляться вовне, поскольку контур F фактически короткозамкнут бездействующими частями диска.
Направление результирующих токов в диске может быть принято таким, чтобы быть, как обозначено пунктирами и стрелками m и n; и направление потока поля возбуждения, обозначаемого стрелками a, b, c, d, анализ фигуры показывает, что одно из этих двух ответвлений вихревого тока, то есть A-B’-m-R, будет иметь тенденцию размагничивать поле, в то время как другое ответвление, то есть A-B’-n-B, будет производить противоположный эффект. Поэтому, ответвление A-B’-m-B, то есть то, которое приближается к полю, оттолкнет линии, в то время как ответвление A-B’-n-B, то есть оставляющее поле, соберет силовые линии на себя.
Из-за этого имеется постоянная тенденция уменьшения течения тока в дорожке B’-m-B, в то время как с другой стороны такая оппозиция не будет существовать в дорожке, B’-n-B, и эффект ответвления или дорожки будет более или менее преобладающий над первым. Объединенный эффект обоих ответвлений потоков мог бы быть представлен одним единственным потоком того же самого направления как возбуждение поля. Другими словами, вихревые токи, циркулирующие в диске, будут дополнительно усиливать магнит. Этот результат весьма противоречит тому, что можно было бы предположить сначала, поскольку мы естественно ожидали, что результирующие роторные токи будут противодействовать току наведенному магнитами, поскольку так обычно происходит, когда первичный и вторичный проводник имеют индуктивное взаимодействие.
Но следует помнить, что это следствие специфического взаимного расположения, а именно, наличия двух путей, предоставляемых наведенному и противодействующему току, каждый из них выбирает тот путь, который предлагает наименьшее количество противодействия. От этого мы видим, что вихревой ток втекающий в диск частично возбуждает поле магнита, и по этой причине когда наведенный ток прерывающий токи в диске, продолжит течь, и полевой магнит будет терять свою силу сравнительно медленно и может даже сохранить некоторую силу, пока вращение диска продолжается.
Результат будет, конечно, в значительной степени зависеть от сопротивления и геометрических измерений пути вихревого тока и от скорости вращения; — и именно эти элементы определяют замедление этого тока и его позицию по отношению к полю. Для определенной скорости существует максимум, возбуждающего действия; тогда как при более высоких скоростях, оно постепенно уменьшилось бы, стремясь к нулю и наконец полностью изменило направление, то есть, эффект вихревого тока должен будет ослабить поле.
Реакцию можно лучше продемонстрировать экспериментально, располагая полюсы N и S, а также N’ и S’, на свободно подвижной оси, концентрической с осью диска. Если бы последний вращался как прежде в направлении стрелки D, поле действовало бы в том же самом направлении с моментом, который, до некоторого значения, будет расти со скоростью вращения, потом уменьшаться, и, проходя через нуль, наконец становится отрицательным; то есть магнит начал бы вращаться в противоположном направлении к диску.
В экспериментах с альтернативными электродвигателями, в которых поле изменяется токами разных фаз, наблюдался интересный результат. Для очень низких скоростей вращения поля двигатель показал момент 900 фунтов, или больше, замеренный на шкиве 12 дюймов в диаметре. Когда скорость вращения полюсов была увеличена, момент уменьшался и, наконец убывал до нуля, и становился отрицательным, а затем якорь начинал вращаться в противоположном руководстве направлении к полю.
Возвращаясь к основной идее, примите, что условия такие, что вихревые токи, произведенные вращением диска усиливают поле, и предполагают что последнее, постепенно увеличивается, в то время как диск остается, вращающимся по нарастающей (Dragons’ Lord : однако здесь проскакивает нужная мысль). Ток когда-то начался, и может быть достаточен, чтобы поддержать себя и даже увеличиться в силе, и затем мы имеем случай «аккумулятора тока сэра Вильяма Томсона».
Но из вышеупомянутых соображений, казалось бы, следует, что для успеха эксперимента сопротивление сплошного диска будет существенно, поскольку, если бы имелось радиальное разбиение, вихревые токи не могли бы формироваться, и их вредное воздействие прекратилось бы. Если бы использовался, такой звездообразный радиально составной диск было бы необходимо соединить спицы по краю проводником или любым другим образом, чтобы формировать симметричную систему замкнутых цепей.
Действие вихревых токов может использоваться, чтобы возбудить машину любой конструкции. Например, на Рис.2 и 3, показаны устройства, в которых машина с ротором-диском могла бы быть возбуждена вихревыми токами.
Здесь множество магнитов, N-S, N-S, помещено звездообразно радиально на каждой стороне металлического диска D и в продолжение его периферии набор изолированных катушек, C и C. Магниты формируют две отдельных области, внутреннюю и внешнюю. Имеется твердый диск, вращающийся на оси, и катушки в области удаленной от нее. Примем что магниты, немного возбуждены при запуске; они могли бы усилить действие вихревых токов в твердом диске, чтобы предоставить более сильную область для периферийных катушек. Хотя нет сомнения, что при таких условиях машина могла бы быть возбуждена этим или подобным образом, достаточно экспериментальных свидетельств, чтобы гарантированно утверждать, что такой режим возбуждения будет расточителен.
Но униполярный генератор с самовозбуждением или двигатель конструкции, показанной на Рис.1 могут быть возбуждены эффективно, просто посредством разделения диска или цилиндра, в котором наводятся токи, и удаления катушек возбуждения, которые обычно используются. Такая схема показана на Рис.4.
Диск или цилиндр D, как предполагается, будут вращаться между этими двумя полюсами N и S магнита, которые полностью охватывают диск с обеих сторон, контуры диска и полюсов, представляемых кругами d и d’ соответственно, верхний полюс, не показан для наглядности. Сердечники магнита, как предполагается, имеют отверстия в центре, вал C диска пронзает их. Если немаркированный полюс — ниже, и диск вращается, ток винтовой формы, будет, как прежде, течь от центра к периферии, и может быть снят соответствующими скользящими контактами, B и B ‘, на вале и периферии соответственно. В этом устройстве ток, текущий сквозь диск и внешняя цепь не будут иметь никакого заметного влияния на возбуждающий магнит.
Но позвольте теперь предположить, что диск разделен на сектора, по спирали, как обозначено сплошными или пунктирными линиями на Рис.4. Разность потенциала между точкой на вале и точкой на периферии останется неизменной, в знаке так же как в количестве. Единственная разница будет в том, что сопротивление диска будет увеличено и будет большее падение потенциала от точки на вале до точки на периферии, когда тот же самый ток протекает по внешней цепи. Но так как ток вынужден следовать по линиям разбиения, мы видим, что он будет или содействовать полю возбуждения или сопротивляться ему и это будет зависеть, при прочих равных условиях, от направления линии разбиения. Если разбиение реализовано как обозначено сплошными линиями в Рис.4, то очевидно, что, если ток имеет то же самое направление как прежде, то есть от центра до периферии, его эффект должен будет усилить возбуждающий магнит; тогда как, если разбиение реализовано как обозначено пунктирами, произведенный ток будет иметь тенденцию ослаблять магнит. В первом случае машина будет способна к возбуждению, когда диск вращается в направлении стрелки D; в последнем случае направление вращения должно быть обратным.
Два таких диска могут быть объединены, однако, как обозначено выше, эти два диска, могут, как вращаться в противоположные стороны, так и в одну. Подобное расположение может, конечно же, быть реализовано в машине, в которой, вместо этого диска, вращается цилиндр. В таких униполярных машинах, подобного типа, обычные катушки возбуждения и полюсы могут быть опущены, и машина может быть сделана, так чтобы состоять только из цилиндра или двух дисков, окруженных металлическим корпусом.
(Dragons’ Lord : что конкретно имеет в виду Тесла, — я расскажу ниже по тексту).
Вместо того, чтобы подразделять диск или цилиндр по спирали, как обозначено в Рис.4, более удобно вставить один или более витков между диском и контактным кольцом на периферии, как показано на Рис.5.
Генератор с самовозбуждением Форбеса может, например, быть возбужден вышеописанным образом. В опыте автора вместо снятия тока с двух таких дисков скользящими контактами, как обычно, использовался гибкий приводной проводящий ремень для повышения эффективности. Диски в таком случае, снабжаются большими фланцами, предоставляя большой контакт с поверхностью. Пояс должен быть сделан, так чтобы сцепляться с фланцами в натяг, чтобы компенсировать неплотность прилегания. Несколько машин с контактным поясом были построены автором два годы назад, и работали удовлетворительно; но из-за отсутствия времени работа в этом направлении была временно остановлена. Множество особенностей, указанных выше также было использовано автором в некоторых типах двигателей переменного тока.
* * *
