Известно, что работа любого трансформатора связана с потерями холостого хода, и нагрузочными потерями, представляющими собой сумму потерь в медных обмотках и дополнительных потерь, вызываемых потоком рассеяния.
В настоящее время, главным способом снижения нагрузочных потерь в обмотках трансформаторов является увеличение проходного сечения провода для целей уменьшения плотности тока. Это приводит к увеличению геометрических размеров обмоток, и как следствие, к увеличению габаритов трансформаторов. Применение обмоточного компактного провода, состоящего из большого количества медных изолированных проводников, частично нивелирует этот недостаток.
Предлагаемый способ повышения эффективности работы трансформаторов позволяет изменить подход к нагрузочным потерям в медных обмотках, и в ряде случаев минимизировать их.
Способ минимизации нагрузочных потерь в трансформаторах основан на синергии явлений электромагнитной индукции и контактной разности потенциалов.
Предлагается использовать в силовых катушках статических электромагнитных устройств (электрических трансформаторов) принципиально новый проводниковый материал — биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.
Предлагается вторичную обмотку изготавливать из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов, см. рис. № 1. В этом случае, на распределение электрических напряжений, вызванных электромагнитной индукцией, будут оказывать влияние контактные разности потенциалов.
Рис. № 1. Трансформатор с вторичной обмоткой из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.
В витке (части витка контура) между двумя контактными разностями потенциалов будет наводится отдельная ЭДС. Отдельная ЭДС является внешней электродвижущей силой, которая выводит биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов за пределы термодинамического равновесия. Здесь уместна аналогия с термобатарей, у которой внешней электродвижущей силой является изменение температуры, которое выводит батарею из термодинамического равновесия, и она начинает вырабатывать электричество.
Величина наведённой ЭДС для каждого витка (части витка контура) одинаковая для всех. Контактная разность потенциалов “соединения” сдвигает начало ЭДС для следующего витка (части витка контура) вверх. Энергетика ЭДС, наводимой в витке (части витка) на много больше энергетики контактной разности потенциалов со знаком минус, поэтому сдвигом вниз в первом приближении можно пренебречь.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить количество витков вторичной обмотки без изменения энергетических характеристик трансформатора. В свою очередь, уменьшение количества витков вторичной обмотки позволит уменьшить размеры сердечника трансформатора.
Для понимания особенностей работы такого проводникового материала необходимо по-новому взглянуть на классический термоэлектрический эффект, как производная контактной разности потенциалов.
Известно, что термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение или обратное преобразование электрического напряжения в разность температур, которые проявляются в контактной разности потенциалов. В зависимости от приложенных температур или напряжений термоэлектрический эффект разделяется на эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона. Эффект используется для выработки электроэнергии, измерения температуры или изменения температуры объектов.
Эффект основан на контактной разности потенциалов “соединения” из двух разнородных материалов. Величину контактной разности потенциалов одного “соединения” можно приблизительно оценить на основе закона Алессандро Вольта.
При механическом контакте двух разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от температуры, строения материалов и состояния контактирующих поверхностей. Если температура холодного и горячего контактов одинаковая, то контактная разность потенциалов двух “соединений” равна нулю. В этом случае контактная разность потенциалов одного “соединения” будет представлена следующим образом:
Контактная разность потенциалов одного “соединения”.
КРП12 = α12 / 2
где α12 —коэффициент термо-ЭДС.
Например:
— КРП12 для “соединения” проводников алюминий-медь =1,5 мкв,
— КРП12 для “соединения” проводников сталь-медь =3,6 мкв,
— КРП12 для “соединения” проводников хромель-алюмель =20 мкв,
— КРП12 для “соединения” проводников хромель-копель =40 мкв.
Схематически биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов представлен на рис. № 2.
Рис. № 2. Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.
Сам по себе такой биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов не может являться каким-либо источником электрической или тепловой энергии. Закон последовательных контактов Алессандро Вольта не позволяет обойти закон сохранения энергии. Закон говорит, что разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких, последовательно соединенных металлических проводников, которые находятся при одинаковой температуре, не зависит от промежуточных проводников и полностью определяется контактной разностью потенциалов (КРП) крайних проводников, см. рис. № 2.
U вых. ≠ КРП1-2 + КРП2-3 +… + КРПN1-N (при термодинамическом равновесии).
U вых. = КРП1-N (при термодинамическом равновесии).
Это означает, что если при термодинамическом равновесии соединить в общую цепь последовательно множество “спаев” из двух разнородных металлических проводников, то общая КРП не будет зависеть от количества таких “спаев”.
Контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Связано это с тем, что две одинаковые контактные разности потенциалов всегда направлены в разные стороны — если обходить электрическую цепь по кругу.
Чтобы в условиях термодинамического равновесия такой источник энергии работал без дополнительной электродвижущей силы, необходимо разделить все “соединения” специальным проводником, у которого нет контактной разности потенциалов. К сожалению, такого материала в природе не существует.
Получается, что для практического использования проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов нужна какая-либо дополнительная внешняя электродвижущая сила, выводящая проводник за пределы термодинамического равновесия.
Для примера, в случае с термопарами, и, в частности, с эффектом Зеебека – в качестве внешней электродвижущей силы выступает разность температур, нарушающая термодинамическое равновесие. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения к “соединению” — контактная разность потенциалов будет или уменьшаться или увеличиваться.
Осталось предложить источник отдельного внешнего напряжения для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов, чтобы значение контактной разности потенциалов последовательно суммировалось, как в случае, по аналогии с термобатареей или термохолодильником.
Таким источником внешнего напряжения для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов может выступать виток (часть витка контура) электрической катушки при взаимодействии с магнитным полем. В витке (части витка контура) между двумя контактными разностями потенциалов будет наводится отдельная ЭДС. Величина отдельной ЭДС для каждого витка (части витка контура) будет одинакова для всех. В этом случае контактная разность потенциалов каждого “соединения” будет сдвигать значение ЭДС вверх для каждого следующего витка.
Здесь можно возразить, что контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Сдвиг ЭДС следующего витка будет ка вверх, так и в низ. Схема замещения катушки из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с наведением ЭДС должна выглядеть так, как показано на рис. № 3.
Рис. № 3. Предполагаемая схема замещения катушки из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с наведением ЭДС
А напряжение на выходе катушки должно быть, как по классике:
Uab=ЭДС1 витка * N витков +КРП12
Такой подход хорош только для биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без внешней электродвижущей силы, которая наводит в каждом витке между контактными разностями потенциалов отдельную ЭДС.
Для этого случая, на рис. № 4 показано распределение напряжений Uab1 в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без электромагнитной индукции в условиях термодинамического равновесия.
Внешняя электродвижущая сила меняет все распределения напряжений в системе с контактной разностью потенциалов.
Энергетика ЭДС, наводимой в витке (части витка) на много больше энергетики контактной разности потенциалов со знаком минус, поэтому сдвигом вниз в первом приближении можно пренебречь.
Распределение электрических напряжений в катушке для различных режимов работы представлено на рис. № 4.
Рис. № 4. Распределение электрических напряжений в катушке для различных режимов работы.
Где:
— Uab1 – ЭДС в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без электромагнитной индукции в условиях термодинамического равновесия. Uab1 = КРП.
— Uab2 – ЭДС, наводимая в катушке из обыкновенного проводника, например – меди.
— Uab3 – ЭДС в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с электромагнитной индукцией.
Значение Uab3 приблизительно можно оценить следующим выражением:
Uab3 = (ЭДС части витка + 2*КРП) * N частей витков катушки
Проведённые опытно-конструкторские работы подтверждают заявленное.
ОПЫТНОКОНСТРУКТОРСКИЕ РАБОТЫ
ГИПОТЕЗА
Катушка из проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов должна индуцировать ЭДС на 0,03 мВ больше, чем катушка из тестовой медной проволоки.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В качестве биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов использовалась пара сталь-медь. КРП12 для “соединения” сталь-медь +-3,6 мкв. Катушка из проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов намотана на сердечнике трансформатора. Количество витков – 10. Каждый виток – отдельный проводник с контактной разностью потенциалов по краям, в котором буден наводиться своя ЭДС.
С другой стороны трансформатора намотана тестовая катушка из меди с количеством витков – 10.
ЭДС наводилась бросанием электромагнита от мощного динамика сверху на сердечник катушки.
Измерения проводились имеющимися в распоряжении приборами. Отклонения стрелочного приборы фиксировались только на уровне 1-2 деления при работе с биметаллическим проводником с знакопеременной контактной разностью потенциалов. Отклонения в 1 деление фиксировались при работе с медным проводником.
Для более точного измерение изменений напряжений в диапазоне 30 мкВ тем оборудованием, которое было в распоряжении — использовал цифрой прибор. Измерения проводились косвенно, через разъём прибора для измерения температур. Маркером изменения выходного напряжения в диапазоне 30 мкв были показания температуры.
РЕЗУЛЬТАТ
Значения температур (предполагаем – напряжений) стабильно отличались друг от друга в большую величину при работе с катушкой из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов, по сравнению с работы с медной катушкой.
ВЫВОД
Опытно-конструкторские работы подтверждают правильность заявленной гипотезы и могут быть использованы для повышения эффективности статических электромагнитных устройств (трансформаторов) на основе использования принципиально нового электропроводного материала, совместно с таким явлением, как электромагнитная индукция.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить количество витков вторичной обмотки без изменения энергетических характеристик трансформатора. В свою очередь, уменьшение количества витков вторичной обмотки позволит уменьшить размеры сердечника трансформатора.