Дело было днём и вдруг пришла идея: собрать ручной генератор на магнитах, да и не просто так а что бы им можно было заряжать телефон.
Различные генераторы переменного тока на магнитах мне показались на самыми интересными для сборки и расчётов, поэтому было выбрано посчитать напряжение для диска Фарадея.
Цель
Проверить возможность создания опытной модели униполярного генератора основанного на “диске Фарадея”, способного вырабатывать 5V. в домашних условия.
В случае положительного результата исследования, экспериментально доказать математическую модель.
План работы
Описать принцип работы диска Фарадея
Математически рассчитать возможность выработки целевых показателей
В случае возможности выработки целевых показателей собрать физическую модель
Условия
Мы используем диск Фарадея, и улучшенные его версии которые работают на таком же принципе, и которые мы можем собрать в домашних условиях
Потери при передачи электричества равны половине от вырабатываемого электричества
Диск должен раскручиваться человеком массой 70кг с использованием передаточного механизма
Установку можно собрать из деталей напечатанных на 3Д-принтере с использованием пластика PA (Nylon)
Раздел 1. Принцип работы диска Фарадея
Диск Фарадея состоит из:
Магнита действующего на медный диск своим магнитным полем
Проводника в виде медного диска, на нём под действием силы Лоренца и Электродвижущей силы (ЭДС) при вращении образуется электрический ток
Скользящих токосъемников (электрических контактов) расположенных в центре и с краю пластины, они “собирают” электроны и за счет разницы потенциалов создаётся электрический ток
Итог: При вращении электропроводящего диска на который действует сила Лоренца от магнитного поля, то с этого диска с использованием скользящих токосъемников установленных с разницей потенциалов можно получить постоянный электрический ток.
Раздел 2.Модель рабочего диска Фарадея
Раздел 2.1 Модель №1
Планируется использовать данный вариант диска Фарадея:
Мы берём кольцеобразный магнит N35 с внешним диаметром равный 20мм, внутренним диаметром равным 5мм и толщиной равной 5мм
Примем, диск будет в 2 раза больше с магнита, следовательно:
Br | 1.17 Тл |
R1 | 0.01 м |
R2 | 0.0025 м |
h | 0.005 м |
R(диск) | 0.02 м |
z(раст. до диска) | 0.007 м |
Для расчётов максимально возможно выдаваемого ЭДС (без учёта погрешности) я создал математический калькулятор основанный на статье “Analytical Calculation of the Magnetic Field Created by Permanent-Magnet Rings" и "Full analytical solution for the magnetic field of uniformly magnetized cylinder tiles" (на это было потрачено больше всего времени)
Калькулятор: https://eseeda.ru/calculator/
Итогом расчетов стало, что для этих параметров магнита и для скорости 60 оборотов в минуту выдача в электричестве будет 3.07e-36 V
Из формулы расчёта количества оборотов из ЭДС мы можем найти необходимое нам количество оборотов для 10 V Формула не учитывает погрешность поэтому мы включаем погрешность изначально
|
формула №1Где:
| обороты в минуту | |
| Электродвижущая сила которая нам требуется | Нам нужно 10 V |
| Электродвижущая сила которую мы нашли выше | Нашли выше |
| обороты в минуту |
Если всё это посчитать, то для достижения целевого результата нам потребуется раскрутить диск до 1.95e38 оборотов в минуту, что в домашних условиях невозможно достичь.
Проведения опыта самостоятельно результатов не дало, напряжение которое получилось замерить мультиметром равнялось 1e-6 V что скорей всего является погрешностью из за неточности мультиметра.
Раздел 2.2 Модель №2
Здесь мы используем Парадокс Фарадея, если мы сможем “окутать” магнит в диск, то мы сможем избежать потерь от расстояния от магнита до диска таким образом если у магнита будет электропроводящие покрытие, то он сможет выполнять одновременно функции и диска и магнита. На эту роль идеально подходит неодимовый магнит.
Предположим у нас есть неодимовый магнит, диск 90х5 мм, N35
Для нахождения максимального количества оборотов мы воспользуемся тем же способом что и выше Используем калькулятор https://eseeda.ru/calculator/
Br | 1.18 Тл |
R | 0.09 м |
h | 0.005 м |
R(магнит) | 0.09 м |
z(раст. до диска) | 0 м |
В результате мы получаем что при 60 оборотов в минуту наше напряжение будет равно
5.56e-35 V
Далее используя формулу 1, мы можем посчитать, что для достижения целевого результата нам потребуется раскрутить диск до 10^37 оборотов в минуту. В домашних условиях данное количество оборотов достичь невозможно
Выводы
При введённых нами условия невозможно получить напряжение в 5 V
Исходя вычисленных параметров, следует что:
Напряжение в 5 V недостижимо
Максимально напряжение которые мы можем получить при условиях, что мы вращаем диск со скоростью 60 оборотов в минуту равняется 5.56e-35 V
Источники
Информация о характеристиках магнита, интернет-ресурс https://magnet-prof.ru/index.php
Analytical Calculation of the Magnetic Field Created by Permanent-Magnet Rings DOI:10.1109/TMAG.2008.923096
Full analytical solution for the magnetic field of uniformly magnetized cylinder tiles DOI:10.1016/j.jmmm.2022.169482
Конец.
Это была моя первая статья масштаба больше 1 странице, поэтому был бы рад услышать конструктивную критику и возможности исправления/корректировки статьи.