Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №5

Представим себе обычный круглый постоянный магнит, вроде используемого в динамиках. Верхний торец — северный полюс, нижний — южный. Пусть магнит вращается вокруг оси, и к нему присоединены два скользящих контакта — один на оси вращения, другой на боковой поверхности. Ввиду того, что магнит проводящий, преимущественно железный, по цепи потечет ток.

Очень просто! Куда проще, чем в самых первых динамо-машинах. Но за счет чего же образуется ток?

Дело в силе Лоренца. Она действует на свободные электроны внутри проводника, движущегося в магнитном поле, вызывая их перераспределение, то есть поляризацию. И если проводник замкнут, то электрические заряды будут двигаться непрерывно, порождая ток. Это в первом приближении.

Но последовательное описание явления униполярной индукции дается лишь теорией относительности. Рассмотрим, как это делается.

Поставим мысленный эксперимент: пусть мы имеем две системы отсчета. Одна лабораторная (сидим за столом и глядим на вращающийся магнит), другая — связанная с магнитом (собственная система отсчета). Вообразим себя сидящими на магните и вращающимися вместе с ним.

После того, как мы ввели две системы отсчета, и начинается самое интересное. В связанной с магнитом системе отсчета присутствует только постоянное магнитное поле. Магнит в этой системе неподвижен, и на его свободные электроны никакие силы не действуют. В магнитном поле движется только проводник, и Лоренцева сила действует только на его электроны. Именно она и создает электродвижущую силу (ЭДС), вызывающую электрический ток. Запомним это.

Теперь перейдем к лабораторной системе отсчета. Здесь внутри вращающегося магнита существует два поля — и магнитное, и электрическое. Электрическое компенсирует силу Лоренца, и полная сила, воздействующая на электроны, равна нулю. В неподвижном (в лабораторной системе отсчета) внешнем проводнике силы Лоренца нет, зато есть электрическое поле, создающее между полярной осью магнита и боковой поверхностью разность потенциалов, равную электродвижущей силе, о которой мы говорили, рассматривая собственную систему отсчета. Запомним и это!

А теперь зададим себе очень простой вопрос: как все обстоит на самом деле? Какие заряды создают электрическое поле, которое, как Афина из головы Зевса, вдруг является во всеоружии, но из ничего, из перехода от одной системы координат к другой.

Это ведь не квантовый мир с его эффектами Наблюдателя. Это самый что ни на есть макромир. Обыденный, повседневный. И в нем поле, порождающее токи весьма большой величины, берется ниоткуда. Из того, что присутствует в одной системе отсчета и отсутствует в другой.

Ответ на этот вопрос дает релятивистская теория. Дело в относительном характере деления единого электромагнитного поля на поле электрическое и магнитное. Которые зависят от той системы координат, в которой ведется наблюдение. И о чем, несмотря на сданные курсы электродинамики, обычно не осведомлено большинство обладателей инженерных дипломов постсоветских вузов.

Подробно и строго с явлением униполярной индукции можно познакомиться в книге Тамм И. Е., "Основы теории электричества" (М., 1966).

Мало кто знает и о существовании самих униполярных генераторов, в промышленном исполнении использующих, конечно, не постоянные магниты, а тороидальные катушки возбуждения. Для съема тока с подвижных частей часто используются устройства на основе жидкого металла.

Униполярные генераторы дают рекордные токи, в экспериментальных образцах до миллионов ампер, как правило, при невысоких напряжениях. Отсутствие пульсаций тока делает их весьма эффективными для питания электролизных установок, дуговых печей…

Узнать о последних достижениях в области униполярных генераторов по открытым зарубежным источникам автору не удалось. Дело в том, что униполярные генераторы весьма хороши для питания перспективных электромагнитных орудий сверхвысокой кинетической энергии (в опытных образцах, традиционно запитываемых от конденсаторных батарей большой мощности). А о роли, которая отводится таким орудиям как в перспективной космической ПРО, так и в системах более обычных вооружений бронетанковых, авиационных, хорошо известно.

Но это частности. Куда интереснее сам факт существования сугубо инженерного устройства, для описания которого необходима СТО.

ЭЛЕКТРОНИКА

Узлы электронных схем

Транзистор

1. Увеличение мощности транзистора.

Резисторы в цепях эмиттеров нужны для равномерного распределения нагрузки; уровень шумов уменьшается пропорционально квадратному корню из количества параллельно включённых транзисторов.

2. Защита от перегрузки по току.

Недостаток-снижение КПД из-за наличия датчика тока R.

Другой вариант — благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, и на нём будет рассеиваться меньшая мощность.

3. Составной транзистор с высоким выходным сопротивлением.

Из-за каскодного включения транзисторов значительно уменьшен эффект Миллера.

Другая схема — за счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор имеет ещё более высокие динамические характеристики (единственное условие — второй транзистор должен иметь более высокое напряжение отсечки). Входной транзистор можно заменить на биполярный.

4. Защита транзистора от глубокого насыщения

Предотвращение прямого смещения перехода база-коллектор с помощью диода Шоттки.

Более сложный вариант — схема Бейкера. При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы "лишний" базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение.