Любопытный эффект также оказывается на железные опилки. Если поместить некоторое их количество на бумагу и держать ее с внешней стороны достаточно близко к кольцу, они приходят в вибрирующее движение, оставаясь на месте, хотя бумагу можно двигать туда и сюда; но при подъеме бумаги на определенную высоту, которая как представляется, зависит от интенсивности полюсов и скорости вращения, их сбрасывает в направлении всегда противоположном воображаемому вращению полюсов. Если бумагу с опилками положить горизонтально на кольцо и внезапно включить ток, легко можно наблюдать наличие магнитного верчения.
Чтобы продемонстрировать полное сходство между кольцом и вращающимся магнитом, за счет механической энергии вращался сильный электромагнит, и наблюдались явления, идентичные вышеупомянутым во всех деталях.
Очевидно, вращение полюсов производит соответствующие индуктивные воздействия и может использоваться для генерации токов в замкнутом проводнике, помещенном в области действия полюсов. Для этой цели удобно обмотать кольцо двумя множествами наложенных друг на друга обмоток, образующих соответственно первичную и вторичную цепи, как показано на рисунку 10. Чтобы обеспечить получение наиболее экономичных результатов, магнитные цепи должны быть полностью закрыты, и имея это в виду, можно менять конструкцию как угодно.
Индуктивный эффект, воздействующий на вторичные обмотки, будет главным образом обусловлен смещением или движение магнитного действия; но могут также существовать и токи, наведенные в обмотках вследствие изменений интенсивности полюсов. Тем не менее, если правильно спроектировать генератор и определить магнитное воздействие первичных обмоток, последнюю составляющую можно заставить исчезнуть. Если поддерживать интенсивность полюсов постоянной, работа прибора будет безупречной, и можно будет получить такой же результат, как если бы смещение производилось посредством коммутатора с бесконечным числом полос. В этом случае теоретическое отношение между возбуждающим воздействием каждого множества первичных обмоток и их результирующим магнитным воздействием можно выразить уравнением круга, центр которого совпадает с центром ортогональной системы осей, в котором радиус представляет собой равнодействующую и координаты обе ее компоненты. Тогда это будут, соответственно, синус и косинус угла а между радиусом и одной из осей (О X). Следуя рисунку 1, имеем r2 = X2 + у2, где X = COS a, a у = sin a.
Полагая магнитное воздействие каждого множества обмоток пропорциональным току — что можно допустить при слабом намагничивании, — получаем тогда X = Кс и у = Кс1 где К — константа, а с и С1 токи в обоих множествах обмоток, соответственно. Далее, полагая, что поле генератора постоянное, имеем постоянную скорость с' = К1 sin а и С = К1 sin (900 +) = = K1 COSa, где К1 — константа. См. рисунок 12.
Таким образом, X = Кс = К К' COS а;
у = Кс! = К К1 sin а, и
К К' = r.
То есть, для постоянного поля расположение двух обмоток под прямыми углами даст теоретический результат, и интенсивность смещения полюсов будет постоянной. Но из r2=x2 + y2; следует, что при у =0, r=x; следовательно, суммарное магнитное воздействие обоих множеств обмоток должно быть равно воздействию одного множества при его максимуме. В трансформаторах и определенном классе моторов флюктуации полюсов не имеют особой важности, но в другом классе этих моторов желательно добиться теоретического резуль- тата.
В результате применения этого принци- па к конструкции моторов были построены два типичных вида моторов. Первый, вид со сравнительно малым вращающим уси- лием на старте, но поддерживающий по- стоянную скорость при любых нагрузках, это мотор, названный синхронным. Вто- рой, вид, демонстрирующий огромное вра- щательное усилие на старте, скорость его находится в зависимости от нагрузки. Эти моторы могут приводиться в действие тремя различными путями: 1. Только от переменных токов источника. 2. Комбинированным воздействием их и индуцированных токов. 3. Совместным воздействием переменных и постоянных токов.
Простейший вид синхронного мотора получается при обматывании листового кольца с полярными выступами четыремя обмотками и подключением их тем же способом, что и описанный выше. Железный диск с вырезанным сегментом с каждой стороны можно использовать в качестве якоря. Такой мотор показан на рисунку 9. Если диск устанавливается так, чтобы он мог свободно вращаться внутри кольца близко к выступам, очевидно, что когда полюса смещаются, он будет, благодаря его стремлению находиться в таком положении, чтобы охватывать наибольшее количество линий силы, тесно следовать движению полюсов, и его движение будет синхронным с движением якоря генератора; то есть, это так в таком конкретном расположении, показанном на рисунку 9, когда якорь за один оборот производит два импульса тока в каждой из своих цепей. Очевидно, что если за один оборот якоря генерируется большее число импульсов, скорость мотора соответственно возрастет. Из того, что притягивание, действующее на диск, наибольшее, когда он находится вблизи полюсов, следует, что такой мотор будет сохранять в точности одну и ту же скорость при всех нагрузках в пределах его мощности.
Чтобы способствовать запуску на старте, диск можно снабдить обмоткой, замкнутой на себя. Преимущество, даваемое такой обмоткой, очевидно. На старте токи, возникающие в обмотке, сильно возбуждают диск и увеличивают притяжение, действующее на него со стороны кольца, и благодаря токам, генерируемым в обмотке, пока скорость якоря много меньше скорости полюсов, мотор может выполнить заметную работу даже если скорость ниже нормальной. При постоянной интенсивности полюсов, когда мотор вращается со своей нормальной скоростью, в обмотке никакие токи не генерируются.
Вместо того, чтобы замыкать катушку на себя, ее концы можно соединить с двумя изолированными скользящими кольцами, и подать постоянный ток от подходящего генератора. Хороший способ запустить такой мотор — это замкнуть катушку на себя до достижения нормальной скорости, или около того, а затем переключить на постоянный ток. Если диск возбуждается постоянным током очень сильно, мотор может не смочь стартовать, но если бы он возбуждался слабо, или вообще так, что магнитное воздействия кольца было бы преобладающим, он запустится и достигнет нормальной скорости. Такой мотор будет сохранять абсолютно ту же самую скорость при всех нагрузках. Также замечено, что если движущей силы генератора недостаточно, соотносясь с мотором скорость генератора уменьшается синхронно со скоростью мотора. Отличительное свойство этого вида моторов, что его нельзя реверсировать за счет реверсирования постоянного тока через обмотку.
Синхронность этих моторов можно продемонстрировать многими путями экспериментально. Для этой цели самое лучшее использовать мотор, состоящий из магнит с постоянным полем и якорь, устроенный так, чтобы вращаться внутри него, как показано па рисунку 13. В этом случае смещение полюсов якоря вызывает вращение последнего в обратном направлении. Отсюда вытекает, что когда достигается нормальная скорость, полюса якоря принимают фиксированное положение относительно поля магнита, и он намагничивается индукцией, образуя отдельный полюс на каждом из полюсных наконечников. Если в магните применить наконечник из мягкого железа, он на старте будет притягиваться с быстрым вибрирующим движением, вызванным обращениями полюсов магнита, на когда скорость якоря возрастает, вибрации становятся все менее и менее частыми и наконец совсем исчезают. Тогда железо притягивается слабо, но постоянно, указывая, что синхронность достигнута, и возбуждающий магнит возбуждается индукцией.
Диск можно также использовать для эксперимента. Если держать его близко к якорю, он будет вращаться до тех пор, пока скорость вращения полюсов будет превышать скорость вращения якоря; но когда будет достигнута нормальная скорость, или около того, он перестает вращаться и постоянно притягивается. Грубый но показательный эксперимент проделывается с лампой накаливания. Если поместить лампу в цепь с генератором постоянного тока, и последовательно с магнитной обмоткой, то наблюдаются быстрые флюктуации света вследствие индуцированных токов, возникающих в обмотке на старте; когда скорость возрастает, флюктуации появляются с более долгими интервалами, пока не исчезают полностью, указывая, что мотор достиг своей нормальной скорости.
