Полное название этого небольшого опуса – «Униполярный генератор Фарадея или Ещё раз о разделении зарядов». Всякому электрическому току в телах, в жидкостях, в газах предшествует механизм разделения зарядов. Без разности потенциалов зарядов двух знаков – нет тока. Разность потенциалов со световой скоростью ориентирует сонаправленно магнитные моменты атомных частиц в теле или другой среде. Иначе говоря, разность потенциалов поляризует проводящую среду, выстраивает магнитные моменты частиц в теле сонаправленно. Это – основное условие течения тока, то есть движения, процессии зарядов обоих знаков во встречных направлениях. Скорость этого движения зарядов невелика, но оно идёт по всей протяжённости проводника между разностью потенциалов. Сила тока зависит от величины разности потенциалов (напряжения, давления зарядов) и от сопротивления проводника (по закону Ома).
Известны три механизма разделения зарядов, широко используемые человеком. Это электрогенераторы, химические реакции в аккумуляторах и батареях, фотоэлементы. Но ещё на заре электротехники Майкл Фарадей изобрёл униполярный (однополярный) генератор, пусть малоэффективный, но который тоже производит разделение зарядов и вызывает ток. Однако до сих пор идут споры о природе возникновения тока в униполярном генераторе Фарадея. Токопроводящий диск из меди вращается между полюсами постоянного магнита. В центре диска и на краю диска есть по одному скользящему, трущемуся контакту, соединённому проводами с гальванометром. Если диск быстро вращать, то гальванометр покажет наличие тока (движение зарядов). Униполярный генератор Фарадея имеет прямое родство с электрофорной машиной, где также имеется трение щёток о вращающиеся в противоположных направлениях пластиковые диски, на которые наклеены листики из алюминия. В электрофорной машине нет никакого магнита, но разделение зарядов производится весьма успешно. Именно за счёт трения, но не за счёт трения щёток (они лишь переносят заряды), а за счёт трения о воздух в малом пространстве между быстро вращающимися дисками. Быстрое движение объектов в плотной воздушной массе (самолёт, машина, облако), за счёт энергичных соударений атомов и молекул, приводит к разделению зарядов и их распределению на поверхности объектов. Напряжения при вращении дисков электрофорной машины могут достигать тысячи вольт. Но разница между электрофорной машиной и униполярным генератором в том, что машина выдаёт при вращении и трении большое напряжение, но очень маленький ток. Тогда как униполярный генератор Фарадея – наоборот, маленькое напряжение и большой ток.
Вопрос с униполярным генератором Фарадея в том – что создаёт ЭДС и рождает ток? Единого мнения нет. Большинство голосов за то, что к рождению ЭДС причастна сила Лоренца, а значит – участие магнитного поля, которое отбрасывает заряды к центру проводящего вращающегося диска. Однако, вот какое дело! Если убрать магнит вообще и вращать только проводящий диск (лучше из железа и массивней), то ЭДС также возникнет и пойдёт ток. Чтобы пошел ток – нужно разделение зарядов, наличие зарядов разного знака. Без этого никакого тока не будет. Верить в то, что вращение диска гонит электроны в диске центробежной силой на край диска, может только наивный человек. Оказывается, магнит тут ни при чём! Всё дело – в трении! Трение контактов о край диска и в центре диска создаёт разделение зарядов. Металл можно наэлектризовать стеганием, о чём рассказывали даже в школе. Так вот энергичное трение – и есть стегание, при котором происходит разделение зарядов. А где есть заряды разного знака – есть и ток! Никакого парадокса тут нет. Трение приводит к разрыву межатомных (межмолекулярных) связей, что заставляет магнитные моменты атомных частиц (диполей) опрокидываться, вращаться. Как ни странно, но при этом рождаются гамма-кванты, которые в сильном магнитном поле ядер атомов распадаются на электроны левого и правого спина. Вот так происходит разделение зарядов. Разделённые заряды замыкаются через проводник во встречном движении. Чем больше площадь контакта и чем больше толщина проводов – тем больше напряжение и токи. Что касается известной таблички для униполярного генератора Фарадея, где показаны возможные варианты рождения тока, то токи и напряжения есть тогда, когда есть энергичное трение при относительных скоростях движения. Трение исчезает – и тока нет. Трение при большой разности скоростей объектов – важнейшее условие в механическом разделении зарядов. К слову сказать, в обычном электрическом генераторе тоже есть трение, но не механическое, а трение магнитных полей. И это трение тоже приводит к опрокидыванию магнитных моментов дипольных частиц, к рождению гамма-квантов. И эти гамма-кванты скоро распадаются в сильных магнитных полях атомных ядер на электроны левого и правого спина (лэлеки и пэлеки).
Главное отличие химического способа разделения зарядов в аккумуляторах от механического (трения) и магнитного (генераторы) в том, что в химических не рождаются новые электроны левого и правого спина. Они высвобождаются в результате разрыва молекулярных связей в ходе химических реакций. Число электронов ограничено. Когда реакции прекратятся – ток перестаёт идти, свободных электронов больше нет. Работу аккумулятора с окислительно-восстановительными реакциями можно восстановить, подав на клеммы аккумулятора зарядный ток, лэлеки и пэлеки. Молекулы восстанавливаются в новых реакциях в прежнем состоянии. А вот в генераторах электрического тока рождение пар лэлеков и пэлеков может происходить неограниченно, была бы только энергия вращения ротора. На фоне этих надёжных источников тока униполярный генератор Фарадея выглядит довольно бледно. Но всё же и он нашел применение в качестве источника тока для рельсотронов.
В заключение остановлюсь на двух моментах. Если в униполярном генераторе Фарадея проводящий диск из меди заменить круглым дискообразным постоянным магнитом, то ничего в работе генератора не изменится, также при трении о центр и край магнита будут рождаться лэлеки и пэлеки, и потечёт ток. В постоянном магните магнитные моменты дипольных частиц ориентированы сонаправленно. Но помешает ли это течению тока из постороннего источника, если приложить тут разность потенциалов? Нет, не помешает, лэлеки и пэлеки из источника тока будут проходить по проводнику магнита свободно в любом направлении. Второй момент – свободные электроны в проводнике. На предположении о существовании свободных электронов в проводниках построена вся электротехника. Но предположение это подкреплено якобы опытом. Однако опыты эти сделаны с помощью скользящих контактов, как в униполярном генераторе Фарадея! Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913 г.), Стюарта и Толмена (1916 г.). Схема опыта такова (цитирую): «На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, т. к. из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся, и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается». Отличие этого устройства от генератора Фарадея в том, что диски – разные и они разнесены, их соединяет провод катушки. Но наличие скользящих контактов уже даёт повод задуматься: а не индуктивность ли катушки является причиной «броска тока» при резком торможении?!. Трущиеся контакты при быстром вращении катушки создают ЭДС, разделяют заряды. Но заряды в гальванометр попадают лишь при резком торможении катушки, как отклик реактивного сопротивления индуктивности… Конечно, это только моё предположение. Но опыты подобного рода можно сегодня провести с большей тщательностью, тем более что технические возможности сегодня много лучше возможностей столетней давности!..