Закон Ампера всё же устоял :-)

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

d-pi@yandex.ru

Не так давно (где-то месяца два тому назад) я опубликовал пару статей в стиле "Закон Ампера ошибочен. Похоже, я случайно, совершенно нечаянно, сделал глобальное открытие". Прежде всего, я хотел проверить, насколько действенен в соцсетях кликбейт - и именно поэтому и написал столь кликбейтный заголовок. Или это был тизер? Я малость путаюсь в терминологии современных социальных сетей.

Моя любимая барышня Вики, которая знает всё или почти все, считает, что кликбейт (англ. clickbait от click «щелчок» + bait «приманка») — это уничижительный термин, описывающий веб-контент, целью которого является получение дохода от онлайн-рекламы, особенно в ущерб качеству или точности информации...

Тизер (от англ. teaser; букв. «приманка», «дразнилка», «завлекалка») — рекламное сообщение, которое содержит часть информации о продукте, но при этом сам товар полностью не демонстрируется, чтобы разогреть интерес потенциального покупателя...

Вообще этот приём не нов, ему как минимум сотня с лишним лет - с тех самых времен когда в Великобритании начал формироваться "новый" стиль газет - таблоиды, кричащие заголовки и фотографии и пустое содержание, не более 1000 знакомест, включая пробелы и знаки препинания, чтобы не перегружать мозги потенциальных читателей.

И я должен отметить, что с одной стороны мой кликбейтный (или тизерный?) заголовок сработал "на все 100". Реально на все 100 - так как обычно число просмотров моих статей на КОНТе колеблется от 2 до 3 тысяч, а тут вплотную подобралось к 6 тысячам. И более 200 комментариев. Хотя и это катастрофически мало для тех тем, которые я поднимаю.

С другой стороны, этот же кликбейт (или тизер?) отвлёк читателей от сути основного вопроса, который я не озвучил напрямую, надеясь, что наиболее умные читатели поймут то, что я хотел сказать. теперь я попробую рассказать об истинном смысле поднятой темы.

Тут дело такое. Я почти всю свою сознательную жизнь, включая время службы в ЖДВ, имел дело с трехфазными электродвигателями и генераторами. Это были генераторы мощностью от 4 кВт для "малой механизации", "стандартные" 30 кВт - ЭСД-30 и в автомобильных кранах К-162 и КС-4561 и заканчивая "сотками" и "двухсотками"... и соответственно электродвигатели на стандартную частоту 50 Гц и напряжение 380 Вольт - ведущие двигатели в электрических лебедках, электрогидравлических тормозах и пр., ручной электроинструмент на 220 Вольт между фазами, на 36 вольт х 400 Гц и т.д. То есть с двигателями и моторчиками постоянного тока я практически не встречался. И вот, в предпенсионном возрасте 60+ я решил восполнить кое-какие теоретические пробелы своих знаний относительно электродвигателей постоянного тока, тем более что нынешний ручной электроинструмент и даже бытовая техника стали их массово использовать. 

И больше всего меня удивила следующая формула (из Википедии):

Согласно этой формуле, кол-во оборотов двигателя постоянного тока, прямо пропорционально - нет, не силе тока в амперах, что я изначально предполагал увидеть, так как именно такой вариант соответствовал бы закону Ампера, а подводимому напряжению. Более того, согласно этой формулы, скорость вращения даже должна уменьшаться при повышении тока в "работающей" части обмотки якоря (ротора) - см. на минус IR. Хотя это вроде как вообще противоречит закону Ампера.

Поясню: согласно моим представлениям и знаниям, полученным в т.ч. и из учебников по электротехнике, скорость вращения ротора должны быть прямо пропорциональна магнитным потокам, создаваемым проходящими по обмоткам ротора и статора токами. В случае со статором или ротором, изготовленными из постоянных магнитов, ситуация еще проще. прямо пропорционально магнитному потоку, создаваемому током в обмотке ротора или статора. Вспоминаем рамку в магнитном поле.

Чем больше ток, тем больше создаваемая сила "выталкивания" рамки, тем должна быть выше скорость вращения. Разве не так?

При чем тут напряжение U? Это же лишь способ повысить силу тока в обмотке - это всего-навсего ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ, тогда как вращает рамку (ротор) взаимодействие магнитных потоков, которые, СОГЛАСНО ЗАКОНА АМПЕРА, НИКАК НЕ ЗАВИСЯТ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ, А ЛИШЬ ОТ  СИЛЫ ТОКА, проходящего по рамке (обмотке ротора).

На всякий случай напомню содержание закона Ампера (в Вики приведены дифференциальные формулы с векторами, поэтому использую школьный вариант - попроще):

Вы тут видите где-нибудь напряжение U ? Почему же напряжение U присутствует в виде главного составляющего в формуле скорости вращения двигателя постоянного тока? Непонятно.

Я решил перепроверить эту формулу в "ручном режиме" на нескольких различных двигателях постоянного тока (см. фотографии в статье https://cont.ws/@d-pi/2777611 ) - и надо же, формула прямой пропорциональности скорости вращения от подаваемого напряжения практически (эмпирически) полностью оправдалась - действительно, увеличивая в n раз напряжение, я наблюдал, что и скорость вращения ротора тоже увеличивалась в n раз. И при этом я, хотя и наблюдал на китайских мультиметрах DT838 - маленький черненький и DT9502A - в оранжевом пластике и даже на стрелочном амперметре времен СССР очень слабое повышение тока в обмотке, я никак не мог установить какое-нибудь соотношение между скоростью вращения и силой тока.

Дело в том, что ток, проходящий по обмотке ротора электродвигателя постоянного тока - ПУЛЬСИРУЮЩИЙ. Я не знаю, с какой именно частотой и по скольким сэмплам усредняются показания в цифровых китайских мультиметрах, но разница в их показаниях при одних и тех же оборотах в течение 5 секунд менялась где-то на 20-30%. И, соответственно, опираться на эти показания в дальнейших размышлениях было абсолютно невозможно. Наконец мне пришла в голову "мудрая мысль", которая вроде бы как лежала на поверхности, но моё стереотипное мышление (которое присутствует в той или иной степени у каждого человека) не давало моему мозгу подойти к этому простому решению. 

Решение было примитивное - подключить обмотку ротора последовательно с резистором на 10 Ом и измерять осциллографом FNIRSI-1014D напряжение на этом сопротивлении, таким образом определяя силу току в роторе согласно классики Ома I = U/R, а заодно оценивая и величину пульсаций тока на экране осциллографа. У осциллографа FNIRSI-1014D есть замечательная функция - автоматическое усреднение показателя напряжения на всей ширине экрана - то есть в зависимости от величины "развертки". И именно этот самый FNIRSI и смог мне подтвердить истинность закона Ампера для двигателей постоянного тока - то есть реальность такова: 

- при повышении напряжения на обмотке ротора ток в обмотке также повышается, пусть и не столь заметно, как повышается напряжение.

- соответственно, при общем повышении силы тока (пускай даже он пульсирует) повышается и сила Ампера (см формулу закона Ампера), а раз повышается сила Ампера, повышается и скорость вращения ротора.

См на фото ниже: желтым цветом рисуется напряжение на активном резисторе, подключенным последовательно к обмотке ротора двигателя, то есть по сути - это пульсирующий ток в обмотке ротора,. Очевидно, что при подобных пульсациях определить среднюю величину тока при помощи цифровых китайских мультиметров было невозможно.

Синяя синусоида - это напряжение в простеньком устройстве моего изготовления для определения частоты вращения - вращается жёлтый ротор с 8-ю магнитами S-N-S-N-S-N-S-N , которые возбуждают ЭДС в находящейся рядом обмотке с сердечником (см. фото ниже)

Я считаю, что хотя эмпирическая формула прямой пропорциональности скорости вращения ротора от подаваемого напряжения и верна, но она формирует у обучаемых неверное представление об основных законах электротехники. То есть, изначально при обучении студентам должна даваться формула зависимости скорости вращения от силы тока. Я сейчас как раз размышляю над тем, как лучше всего составить эту формулу - там тоже наблюдается прямая пропорциональная зависимость между силой тока (средней) и скоростью вращения.  После чего можно сказать, что на практике часто имеет смысл пользоваться формулой, полученной эмпирическим путём - представленной выше формулой из Википедии.

А Вы что думаете по этому поводу?

P.S. А также у меня возник чисто практический вопрос - а существует ли какой-нибудь способ уменьшить противоЭДС, возникающую во вращающемся роторе?