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.
Комментарии (0)
atues
21.09.2025 10:11Напомнило анекдот, извините )
Бизнес по-русски: украсть ящик водки, толкнуть за полцены, а вырученные деньги пропить
Daddy_Cool
21.09.2025 10:11Ох!
Ну вот вот вам рецензия.
1. Самое интересное - как считаются нужная скорость диска - пропущено. Вы отсылаете к калькулятору, я перехожу по ссылке и вижу какие-то файлы... где калькулятор?
2. Вы не приводите формул по которым считали, а пишите "Итогом расчетов стало, что..." - т.е. ваши результаты никак не проверить.
Какие величины куда подставляются? Как это обосновывается физически?
Я открыл ваш файл - по тем формулам что там, получается, что результаты должны быть другими. А я сделал просто - U=Pi*B*f*R^2, видимо так просто сделать нельзя, ну а почему нельзя - из статьи непонятно.
3. Народ же делает генераторы Фарадея и как-то получает измеряемые значения. Как это у них получается?
4. Выражения типа: 5.56 * 10^-35 а) ужасны, б) неправильны/нестандартны. Почему не написать 5.56e-35? Или тогда уж вставляйте полноценную формулу, средства же позволяют:
5.В сети информации по генератору Фарадея - вагон. Ваша статья даже по постановке задачи на уровне школьной лабораторной работы, но физически ничего не сделано.
Резюме рецензента. Reject.
Ну что делать, первый блин комом.
nbv123 Автор
21.09.2025 10:11Блин, сайт с калькулятором поломал, пойду чинить
В теории формулы проверки должны быть в калькуляторе, но он почему-то как-то криво открывается
Делает, обычно у всех получается в лучшем случае зажечь лампочку раскручивая с помощью дрели
Про пункт 4 понял, чуть позже исправлю в статье
Ну изначально это всё планировалось как работа для школы :)
Вообщем спасибо за рецензию, на будущее ошибки запомнил,Добавлено: починил ссылку на калькулятор, там сейчас нет ssl сертификата, поэтому надо подтверждать открытие сайта
farh-i
21.09.2025 10:111) А что, если:
а) диск использовать большего диаметра,
б) использовать северный полюс (хотя бы пары) полосовых магнитов?
\\ по сути-то речь идет о конструкции магнито-электрического электрогенератора \\2) Нигде не нашел объяснения почему "толкание" магнитным полем постоянного магнита частиц (квантов) электрической энергии в проводнике, называется "сила Лоренца" (1895), а не "сила Эрстеда", хотя Ганс Эрстед феномен взаимного отталкивания "магнитными частицами" "электрической субстанции" в проволоке открыл еще в 1820 г. (он это назвал: "электрический конфликт").
Daddy_Cool
21.09.2025 10:11Таких вопросов очень много можно задать. )))
Почему формула Кардано, а не...
Почему закон Кулона, а не...
Почему труба Леонтьева, а не...
Как-то в редакции одного математического журнала за чашкой чая зашёл разговор о справедливости в науке. Вспомнили, что «кольца Ньютона» открыл Гук, «преобразования Лоренца» первым выполнил Фитцджеральд, в Америке за 500 лет до Колумба побывал Эйрик Рыжий, а ещё за 100 лет до него — Гунбьёрн. В математике Гаусс разработал «неевклидову геометрию» до Лобачевского, Бойяи и Римана, «формулами Виета» пользовались ещё до его рождения.
Ни одно научное открытие не носит имени своего истинного автора.
Принцип Арнольда (открыт С. Стиглером)
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/432699/Skandal_davno_minuvshikh_dney
qwe101
21.09.2025 10:11Все почему-то не обращают внимания на элементарную школьную физику. Приведённые схемы не работают. Напряжение (ЭДС) возникает при изменении магнитного поля. В первой схеме токосьём с диска в месте, где практически нет изменения поля - нет ЭДС. Надо переставить его между полюсами магнита, но не точно между, тогда что-то будет. При подходе и отходе от магнита напряжение разной полярности - увеличение/уменьшение магнитного поля. "Современный вариант" и вариант с приклеенным к диску магнитом неработоспособны принципиально, нет изменения магнитного поля при любой скорости вращения. Чуть что-то будет от магнитного поля земли, оно всё-таки неравномерно.
qwe101
21.09.2025 10:11Пробовал алюминиевый диск от старого механического счётчика, 5-10 оборотов в секунду, магниты от старого HDD. Хороший динамический тормоз. Диск греется - вихревой ток в диске есть. Если сделать пропилы - может, можно светодиодик запустить, не пробовал. Напряжение не мерял. Подразумеваются большие потери в контактах. Читал про контакт через ванночку со ртутью, но живьём не видел.
nbv123 Автор
21.09.2025 10:11Тоже читал контакт через ртуть, если сможете замерить напряжение хотя бы обычными токосъёмниками то буду благодарен
Serj_78
21.09.2025 10:11Генератор Фарадея (он же униполярный генератор) работает за счет релятивистких эффектов. Поле по знаку не меняется, и вырабатыает он постоянный ток. И очень маленькое напряжение. По классике U- образный магнит стоит поперек диска. Используют в промышленности как генератор невысоких напряжений с очень малым внутренним сопротивлением, отсюда ртутные контакты и токи на много килоампер... Например для плавки металлов. Попадалась книжка годов 50х про эти генераторы.
diakin
десять в минус 35 вольта?
nbv123 Автор
десять в минус 35-ой степени, ^ обозначает степень