Грамм машина — Gramme machine

Электрический генератор, вырабатывающий постоянный ток

Машина Грамма или магнето Грамма.

Машина Грамм , Граммы кольцо , Грамм магнито или Грамм динамо представляет собой электрический генератор , который производит постоянный ток , названный за его бельгийский изобретатель, Зеноб Теофила Грамм , и была построена либо как динамо или магнето . Это был первый генератор, производивший энергию в промышленных масштабах. Вдохновленный машиной, изобретенной Антонио Пачинотти в 1860 году, Грамм был разработчиком нового индуцированного ротора в виде кольца с проволочной обмоткой ( кольцо Грамма ) и продемонстрировал этот аппарат Академии наук в Париже в 1871 году. В электрических машинах века принцип намотки Грамма больше не используется, поскольку он неэффективно использует проводники. Часть обмотки внутри кольца не режет магнитный поток и не способствует преобразованию энергии в машине. Для обмотки требуется в два раза больше витков и в два раза больше коллекторных стержней по сравнению с эквивалентным барабанным якорем.

Описание

В машине Грамма использовалась кольцевая арматура с серией катушек якоря , намотанных вокруг вращающегося кольца из мягкого железа . Катушки соединены последовательно, а соединение между каждой парой подключено к коммутатору, на котором работают две щетки. Постоянные магниты намагничивают кольцо из мягкого железа, создавая магнитное поле, которое вращается через катушки по порядку при вращении якоря. Это индуцирует напряжение в двух катушках на противоположных сторонах якоря, которое снимается щетками.

Более ранние электромагнитные машины пропускали магнит около полюсов одного или двух электромагнитов или вращали катушки, намотанные на двутавровые якоря в статическом магнитном поле, создавая короткие всплески или импульсы постоянного тока, приводящие к переходному выходу с низкой средней мощностью, а не к постоянный выход высокой средней мощности.

При наличии более чем нескольких катушек на кольцевом якоре Грамма форма результирующего напряжения практически постоянна, что обеспечивает питание почти постоянного тока . Этому типу машины нужны только электромагниты, создающие магнитное поле, чтобы стать современным генератором .

Изобретение современного электродвигателя

Во время демонстрации на промышленной выставке в Вене в 1873 году Грамм случайно обнаружил, что это устройство, если оно снабжено источником постоянного напряжения , будет действовать как электродвигатель . Партнер Грамма, Ипполит Фонтейн , небрежно подключил клеммы машины Грамма к другой динамо-машине, производящей электричество, и ее вал начал вращаться. Машина Gramme была первым мощным электродвигателем, который можно было использовать не только в качестве игрушек или лабораторных диковинок. Сегодня некоторые элементы этой конструкции составляют основу практически всех электродвигателей постоянного тока. Использование Граммом нескольких контактов коммутатора с несколькими перекрывающимися катушками, а также его инновация с использованием кольцевого якоря были улучшением более ранних динамо-машин и помогли начать разработку крупномасштабных электрических устройств.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Прежние конструкции электродвигателей были заведомо неэффективными, потому что у них были большие или очень большие воздушные зазоры на протяжении большей части вращения их роторов. Длинные воздушные зазоры создают слабые силы, что приводит к низкому крутящему моменту. Устройство, называемое двигателем Сент-Луиса (все еще доступное в научных магазинах), хотя и не предназначено для этого, ясно демонстрирует эту большую неэффективность и серьезно вводит студентов в заблуждение относительно того, как работают настоящие двигатели. Эти ранние неэффективные конструкции, по-видимому, были основаны на наблюдении за тем, как магниты притягивают ферромагнитные материалы (такие как железо и сталь) с некоторого расстояния. В XIX веке инженерам-электрикам потребовалось несколько десятилетий, чтобы понять важность малых воздушных зазоров. Однако кольцо Gramme имеет сравнительно небольшой воздушный зазор, что повышает его эффективность. (На верхнем рисунке большая часть, похожая на обруч, представляет собой многослойный постоянный магнит; кольцо Грамма довольно трудно увидеть в основании обруча.)

Принцип действия

Однополюсное кольцо Gramme с одной спиралью.

На этой иллюстрации показано упрощенное однополюсное кольцо Грамма с одной катушкой и график тока, возникающего при вращении кольца на один оборот. Хотя ни одно настоящее устройство не использует эту точную конструкцию, эта диаграмма является строительным блоком для лучшего понимания следующих иллюстраций.

Однополюсное кольцо Gramme с двумя витками.

Однополюсное кольцо Gramme с двумя катушками. Вторая катушка на противоположной стороне кольца подключена параллельно первой. Поскольку нижняя катушка ориентирована противоположно верхней катушке, но обе погружены в одно и то же магнитное поле, ток образует кольцо на клеммах щетки.

Двухполюсное кольцо Gramme с четырьмя катушками.

Двухполюсное кольцо Gramme с четырьмя катушками. Катушки A и A ‘суммируются, как и катушки B и B’, создавая два импульса мощности, сдвинутых по фазе на 90 ° друг с другом. Когда катушки A и A ‘имеют максимальную мощность, катушки B и B’ имеют нулевую мощность.

Трехполюсное кольцо Gramme с шестью спиралями.

Трехполюсное кольцо Грамма с шестью катушками и график объединенных трех полюсов, каждый из которых сдвинут по фазе на 120 ° и суммируется.

Барабанные обмотки

Схема магнитных линий через кольцо Грамма, показывающая очень небольшое количество магнитных силовых линий, пересекающих центральный зазор.

Кольцо Грамма позволяло обеспечить более стабильную выходную мощность, но оно страдало от неэффективности технической конструкции из-за того, как магнитные силовые линии проходят через кольцевой якорь. Силовые линии имеют тенденцию концентрироваться внутри и следовать за металлической поверхностью кольца на другую сторону, при этом относительно небольшое количество силовых линий проникает внутрь кольца.

Ранняя форма кольцевого якоря Gramme с катушками, пронизывающими внутреннюю часть кольца.

Следовательно, внутренние обмотки каждой маленькой катушки минимально эффективны для выработки энергии, потому что они разрезают очень мало силовых линий по сравнению с обмотками на внешней стороне кольца. Внутренние обмотки фактически представляют собой мертвый провод и только добавляют сопротивление цепи, снижая эффективность.

Первоначальные попытки вставить катушку постоянного поля в центр кольца, чтобы помочь линиям проникнуть в центр, оказались слишком сложными для инженерии. Кроме того, если линии действительно проникают внутрь кольца, любая создаваемая ЭДС будет противодействовать ЭДС снаружи кольца, потому что провод внутри был ориентирован в направлении, противоположном направлению на внешней стороне, повернувшись на 180 градусов, когда он был ранен.

Пример одинарной намотки вокруг сердечника барабана снаружи без проникновения проволоки внутрь.

В конце концов, было обнаружено, что более эффективно обернуть одну петлю проволоки через внешнюю часть кольца и просто не допускать, чтобы какая-либо часть петли проходила через внутреннюю часть. Это также снижает сложность конструкции, поскольку одна большая обмотка, охватывающая ширину кольца, способна заменить две меньшие обмотки на противоположных сторонах кольца. Во всех современных якорях используется эта конструкция с внешней оболочкой (барабанная), хотя обмотки не проходят полностью по диаметру; в геометрическом смысле они больше похожи на хорды круга. Соседние обмотки перекрываются, что можно увидеть практически в любом современном роторе двигателя или генератора, который имеет коммутатор. Кроме того, обмотки вставляются в пазы округлой формы (если смотреть с торца ротора). На поверхности ротора щели имеют ровную ширину, необходимую для прохождения через них изолированного провода при намотке катушек.

Современный дизайн кольца Gramme, охватывающий только внешнюю часть сердечника.

В то время как полое кольцо теперь можно было заменить твердым цилиндрическим сердечником или барабаном , кольцо все же оказалось более эффективной конструкцией, поскольку в твердом сердечнике силовые линии концентрируются в тонкой области поверхности и минимально проникают в центр. Для очень большого энергетического якоря диаметром несколько футов, использование якоря с полым кольцом требует гораздо меньше металла и легче, чем якорь со сплошным сердечником. Полый центр кольца также обеспечивает путь для вентиляции и охлаждения в приложениях с высокой мощностью.

В небольших арматурах часто используется цельный барабан просто для простоты конструкции, поскольку сердечник можно легко сформировать из набора штампованных металлических дисков, закрепленных шпонками для фиксации в пазу на валу.

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки

Теория динамо — Dynamo theory

Механизм, с помощью которого небесное тело генерирует магнитное поле

Эта статья посвящена предложенной теории источника магнитного поля Земли. Для объяснения работы механического динамо см. Динамо . Иллюстрация динамо-механизма, который создает магнитное поле Земли: конвекционные токи жидкого металла во внешнем ядре Земли, приводимые в движение тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса , создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле .

В физике , то теория динамо предлагает механизм , посредством которого небесное тело , таких как Земля или звезда генерирует магнитное поле . Теория динамо описывает процесс, посредством которого вращающаяся, конвекционная и электропроводящая жидкость может поддерживать магнитное поле в астрономических временных масштабах. Считается, что динамо-машина является источником магнитного поля Земли и магнитных полей Меркурия и планет Юпитера .

История теории

Когда Уильям Гилберт опубликовал de Magnete в 1600 году, он пришел к выводу, что Земля является магнитной, и предложил первую гипотезу происхождения этого магнетизма: постоянный магнетизм, подобный магнетизму магнитного камня . В 1919 году Джозеф Лармор предположил, что динамо-машина может генерировать поле. Однако даже после того, как он выдвинул свою гипотезу, некоторые выдающиеся ученые предложили альтернативные объяснения. Эйнштейн считал, что между зарядами электрона и протона может быть асимметрия, так что магнитное поле Земли будет создаваться всей Землей. Нобелевская премия победитель Патрик Блэкетт сделал серию экспериментов в поисках фундаментальной связи между угловым моментом и магнитным моментом , но не нашел.

Уолтер М. Эльзассер , которого считают «отцом» принятой в настоящее время теории динамо как объяснения магнетизма Земли, предположил, что это магнитное поле является результатом электрических токов, индуцированных в жидком внешнем ядре Земли. Он раскрыл историю магнитного поля Земли, первооткрывателя исследования магнитной ориентации минералов в горных породах.

Чтобы поддерживать магнитное поле против омического распада (который произойдет для дипольного поля через 20 000 лет), внешнее ядро ​​должно быть конвектирующим. Конвекции , вероятно , некоторое сочетание тепловой и композиционной конвекции. Мантия контролирует скорость отвода тепла от ядра. Источники тепла включают гравитационную энергию, выделяемую при сжатии ядра, гравитационную энергию, выделяемую при отклонении легких элементов (возможно, серы , кислорода или кремния ) на внутренней границе ядра по мере его роста, скрытую теплоту кристаллизации на внутренней границе ядра, и радиоактивность калия , урана и тория .

На заре 21-го века численное моделирование магнитного поля Земли не было успешно продемонстрировано, но, похоже, стало возможным. Первоначальные модели сосредоточены на генерации поля за счет конвекции во внешнем жидком ядре планеты. Можно было продемонстрировать генерацию сильного поля, подобного Земле, когда модель предполагала однородную температуру поверхности ядра и исключительно высокую вязкость жидкости ядра. Расчеты, которые включали более реалистичные значения параметров, дали магнитные поля, которые были менее похожи на земные, но также указали путь для уточнения модели, которая в конечном итоге может привести к точной аналитической модели. Незначительные изменения температуры поверхности ядра, в диапазоне нескольких милликельвинов, приводят к значительному увеличению конвективного потока и создают более реалистичные магнитные поля.

Формальное определение

Теория динамо описывает процесс, посредством которого вращающаяся, конвекционная и электропроводящая жидкость действует для поддержания магнитного поля. Эта теория используется для объяснения наличия аномально долгоживущих магнитных полей в астрофизических телах. Проводящая жидкость в геодинамо — это жидкое железо во внешнем ядре, а в солнечном динамо — ионизированный газ на тахоклине . Теория динамо астрофизических тел использует уравнения магнитогидродинамики для исследования того, как жидкость может непрерывно регенерировать магнитное поле.

Когда-то считалось, что диполь , который составляет большую часть магнитного поля Земли и смещен по оси вращения на 11,3 градуса, был вызван постоянной намагниченностью материалов на Земле. Это означает, что теория динамо изначально использовалась для объяснения магнитного поля Солнца во взаимосвязи с магнитным полем Земли. Однако эта гипотеза, которая была первоначально предложена Джозефом Лармором в 1919 году, была изменена благодаря обширным исследованиям вековых магнитных вариаций , палеомагнетизма (включая изменение полярности ), сейсмологии и обилия элементов в Солнечной системе. Кроме того, применение теорий Карла Фридриха Гаусса к магнитным наблюдениям показало, что магнитное поле Земли имело внутреннее, а не внешнее происхождение.

Для работы динамо-машины необходимо три условия:

• Электропроводящая текучая среда
• Кинетическая энергия, обеспечиваемая вращением планеты
• Источник внутренней энергии для конвективных движений в жидкости.

В случае с Землей магнитное поле создается и постоянно поддерживается конвекцией жидкого железа во внешнем ядре. Необходимым условием индукции поля является вращающаяся жидкость. Вращение внешнего ядра обеспечивается эффектом Кориолиса, вызванным вращением Земли. Сила Кориолиса имеет тенденцию организовывать движения жидкости и электрические токи в столбцы (см. Также столбцы Тейлора ), выровненные по оси вращения. Индукция или создание магнитного поля описывается уравнением индукции :

∂ B ∂ т знак равно η ∇ 2 B + ∇ × ( ты × B ) {\ displaystyle {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}} = \ eta \ nabla ^ {2} \ mathbf {B} + \ nabla \ times (\ mathbf {u} \ times \ mathbf {B})}

где u — скорость, B — магнитное поле, t — время, и — коэффициент магнитной диффузии с электропроводностью и проницаемостью . Отношение второго члена в правой части к первому дает магнитное число Рейнольдса , безразмерное отношение адвекции магнитного поля к диффузии. η знак равно 1 / ( σ μ ) {\ displaystyle \ eta = 1 / (\ sigma \ mu)} σ {\ displaystyle \ sigma} μ {\ displaystyle \ mu}

Приливное отопление, поддерживающее динамо-машину

Приливные силы между небесными телами вызывают трение, которое нагревает их внутренности. Это называется приливным нагревом, и оно помогает поддерживать внутреннее состояние в жидком состоянии. Для производства динамо-машины требуется внутренняя жидкость, которая может проводить электричество. Энцелад Сатурна и Ио Юпитера обладают достаточным приливным нагревом, чтобы сжижать свои внутренние ядра, но они не могут создать динамо-машину, потому что не могут проводить электричество. У Меркурия, несмотря на его небольшой размер, есть магнитное поле, потому что у него есть проводящее жидкое ядро, созданное его составом из железа и трением, возникающим из-за его сильно эллиптической орбиты. Предполагается, что у Луны когда-то было магнитное поле, основываясь на данных, полученных от намагниченных лунных горных пород, из-за кратковременного близкого расстояния к Земле, вызывающего приливный нагрев. Орбита и вращение планеты помогают создать жидкое ядро ​​и дополняют кинетическую энергию, которая поддерживает действие динамо.

Кинематическая теория динамо

В кинематической теории динамо поле скорости предписано, а не является динамической переменной. Этот метод не может обеспечить изменение во времени поведения полностью нелинейного хаотического динамо, но полезен при изучении того, как напряженность магнитного поля изменяется в зависимости от структуры и скорости потока.

Используя уравнения Максвелла одновременно с ротором закона Ома , можно вывести то, что по сути является линейным уравнением собственных значений для магнитных полей ( B ), что можно сделать, если предположить, что магнитное поле не зависит от поля скорости. Приходят к критическому магнитному числу Рейнольдса, выше которого сила потока достаточна для усиления наложенного магнитного поля, а ниже которого оно затухает.

Наиболее функциональная особенность кинематической теории динамо состоит в том, что ее можно использовать для проверки того, способно ли поле скоростей к действию динамо. Применяя определенное поле скорости к небольшому магнитному полю, можно определить путем наблюдения, имеет ли магнитное поле тенденцию к увеличению или нет в ответ на приложенный поток. Если магнитное поле действительно растет, то система либо способна к действию динамо, либо является динамо-машиной, но если магнитное поле не растет, то ее просто называют нединамо.

Мембранная парадигма представляет собой способ смотреть на черных дырах , что позволяет материалу вблизи их поверхности должны быть выражены на языке теории динамо.

Как спонтанное нарушение топологической суперсимметрии

Кинематическое динамо можно также рассматривать как явление спонтанного нарушения топологической суперсимметрии соответствующего стохастического дифференциального уравнения, связанного с потоком фоновой материи. В рамках суперсимметричной теории стохастики эта суперсимметрия является внутренним свойством всех стохастических дифференциальных уравнений, ее смысл заключается в сохранении непрерывности фазового пространства модели непрерывными потоками времени, а ее спонтанное нарушение является стохастическим обобщением концепции детерминированный хаос . Другими словами, кинематическое динамо — это проявление хаотичности основного течения фоновой материи.

Нелинейная теория динамо

Кинематическое приближение становится недействительным, когда магнитное поле становится достаточно сильным, чтобы влиять на движения жидкости. В этом случае на поле скоростей действует сила Лоренца , и поэтому уравнение индукции больше не является линейным по магнитному полю. В большинстве случаев это приводит к гашению амплитуды динамо. Такие динамо иногда также называют гидромагнитными динамо . Практически все динамо-машины в астрофизике и геофизике — это гидромагнитные динамо-машины.

Основная идея теории состоит в том, что любое небольшое магнитное поле, существующее во внешнем ядре, создает токи в движущейся жидкости из-за силы Лоренца. Эти токи создают дополнительное магнитное поле из-за закона Ампера . При движении жидкости токи переносятся таким образом, что магнитное поле становится сильнее (пока оно отрицательное). Таким образом, «затравочное» магнитное поле может становиться все сильнее и сильнее, пока не достигнет некоторого значения, связанного с существующими немагнитными силами. ты ⋅ ( J × B ) {\ Displaystyle \ mathbf {u} \ cdot (\ mathbf {J} \ times \ mathbf {B})}

Численные модели используются для моделирования полностью нелинейных динамо. Используются следующие уравнения:

• Уравнение индукции, представленное выше.
• Уравнения Максвелла для пренебрежимо малого электрического поля:

∇ ⋅ B знак равно 0 {\ Displaystyle \ набла \ cdot \ mathbf {B} = 0}

∇ × B знак равно μ 0 J {\ Displaystyle \ набла \ раз \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {J}}

∇ ⋅ ты знак равно 0 , {\ Displaystyle \ набла \ cdot \ mathbf {u} = 0,}

• Уравнение Навье-Стокса для сохранения импульса , опять же в том же приближении, с магнитной силой и силой гравитации в качестве внешних сил:

D ты D т знак равно — 1 ρ 0 ∇ п + ν ∇ 2 ты + ρ ′ г + 2 Ω × ты + Ω × Ω × р + 1 ρ 0 J × B , {\ displaystyle {\ frac {D \ mathbf {u}} {Dt}} = — {\ frac {1} {\ rho _ {0}}} \ nabla p + \ nu \ nabla ^ {2} \ mathbf {u } + \ rho ‘\ mathbf {g} +2 \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {u} + \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {R} + {\ гидроразрыв {1} {\ rho _ {0}}} \ mathbf {J} \ times \ mathbf {B},}

где — кинематическая вязкость , — средняя плотность, — возмущение относительной плотности, обеспечивающее плавучесть (для тепловой конвекции, где — коэффициент теплового расширения ), — скорость вращения Земли и — плотность электрического тока. {2}} ( 1 / μ 0 ) B ⋅ ( ∇ × ( ты × B ) ) {\ Displaystyle (1 / \ му _ {0}) \ mathbf {B} \ cdot \ left (\ nabla \ times (\ mathbf {u} \ times \ mathbf {B}) \ right)} — ты ⋅ ( ( 1 / μ 0 ) ( ∇ × B ) × B ) ) знак равно — ты ⋅ ( J × B ) {\ displaystyle — \ mathbf {u} \ cdot \ left ((1 / \ mu _ {0}) (\ nabla \ times \ mathbf {B}) \ times \ mathbf {B}) \ right) = — \ mathbf {u} \ cdot (\ mathbf {J} \ times \ mathbf {B})}

Таким образом, термин — это скорость преобразования кинетической энергии в магнитную. Он должен быть неотрицательным, по крайней мере, в части объема, чтобы динамо-машина создавала магнитное поле. — ты ⋅ ( J × B ) {\ displaystyle — \ mathbf {u} \ cdot (\ mathbf {J} \ times \ mathbf {B})}

Из диаграммы выше не ясно, почему этот член должен быть положительным. Простой аргумент может быть основан на рассмотрении чистых эффектов. Чтобы создать магнитное поле, чистый электрический ток должен обернуться вокруг оси вращения планеты. В этом случае, чтобы член был положительным, чистый поток проводящего вещества должен быть направлен к оси вращения. На диаграмме показан только чистый поток от полюсов к экватору. Однако сохранение массы требует дополнительного потока от экватора к полюсам. Если бы этот поток был вдоль оси вращения, это означает, что циркуляция будет завершена потоком от показанных к оси вращения, производя желаемый эффект.

Порядок величины магнитного поля, создаваемого динамо Земли

Вышеприведенная формула для скорости преобразования кинетической энергии в магнитную эквивалентна скорости работы, совершаемой силой на внешнее ядро ​​вещества, скорость которой равна . Эта работа является результатом немагнитных сил, действующих на жидкость. J × B {\ Displaystyle \ mathbf {J} \ times \ mathbf {B}} ты {\ displaystyle \ mathbf {u}}

Из них гравитационная сила и центробежная сила являются консервативными и, следовательно, не имеют общего вклада в движение жидкости в замкнутых контурах. Число Экмана (определенное выше), которое представляет собой соотношение между двумя оставшимися силами, а именно вязкостью и силой Кориолиса, очень низкое внутри внешнего ядра Земли, потому что его вязкость мала (1,2-1,5 · 10 ^-2 паскаль-секунды ) из-за его ликвидность.

Таким образом, основной усредненный по времени вклад в работу вносит сила Кориолиса, величина которой равна , хотя эта величина и связаны только косвенно и в целом не равны локально (таким образом, они влияют друг на друга, но не в одном месте и во времени). — 2 ρ Ω × ты {\ displaystyle -2 \ rho \, \ mathbf {\ Omega} \ times \ mathbf {u}} J × B {\ Displaystyle \ mathbf {J} \ times \ mathbf {B}}

Плотность тока J сама является результатом магнитного поля согласно закону Ома . Опять же, из-за движения материи и потока тока, это не обязательно поле в одном и том же месте и времени. Однако эти соотношения все еще можно использовать для определения порядков величин, о которых идет речь. {2} \ sim \ rho \, \ Omega \, u}

B ∼ ρ Ω σ {\ displaystyle B \ sim {\ sqrt {\ frac {\ rho \, \ Omega} {\ sigma}}}}

Точное соотношение между обеими сторонами — это квадратный корень из числа Эльзассера .

Обратите внимание, что направление магнитного поля не может быть выведено из этого приближения (по крайней мере, не его знак), поскольку оно выглядит в квадрате и, действительно, иногда меняет направление , хотя в целом оно лежит на той же оси, что и . Ω {\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

Для внешнего ядра Земли ρ составляет приблизительно 10 ⁴ кг / м ³ , Ω = 2π / день = 7,3×10 ⁻⁵ секунд и σ составляет приблизительно 10 ⁷ Ω ⁻¹ м ⁻¹ . Это дает 2,7 × 10 ⁻⁴ Тесла .

Магнитное поле магнитного диполя имеет обратную кубическую зависимость от расстояния, поэтому его порядок величины на поверхности земли можно приблизительно определить, умножив полученный выше результат на ( R _{внешнее ядро} / R _Земля ) ³ = (2890/6370) ³ = 0,093, что дает 2,5х10 ^-5 тесла, недалеко от измеренного значения 3х10 ^-5 тесла на экваторе .

Численные модели

Визуальное представление модели Глатцмайера до разворота диполя

В широком смысле модели геодинамо пытаются создать магнитные поля, согласующиеся с данными наблюдений, при определенных условиях и уравнениях, как упоминалось в разделах выше. Успешная реализация уравнений магнитной гидродинамики имела особое значение, потому что они подтолкнули модели динамо к самосогласованности. Хотя модели геодинамо особенно распространены, модели динамо не обязательно ограничиваются геодинамо; Также представляют интерес модели солнечного и общего динамо. Изучение моделей динамо полезно в области геофизики, так как с его помощью можно определить, как различные механизмы формируют магнитные поля, подобные тем, которые создаются астрофизическими телами, такими как Земля, и как они заставляют магнитные поля проявлять определенные особенности, такие как изменение полярности.

Уравнения, используемые в численных моделях динамо, очень сложны. В течение десятилетий теоретики были ограничены описанными выше двумерными кинематическими моделями динамо , в которых движение жидкости выбиралось заранее и рассчитывалось влияние на магнитное поле. Прогресс от линейных к нелинейным трехмерным моделям динамо в значительной степени сдерживался поиском решений уравнений магнитогидродинамики, которые устраняют необходимость во многих предположениях, сделанных в кинематических моделях, и допускают самосогласованность.

Визуальное представление модели Глатцмайера во время разворота диполя

Первые самосогласованные модели динамо, определяющие как движения жидкости, так и магнитное поле, были разработаны двумя группами в 1995 году: одной в Японии и одной в США. Последний был создан в качестве модели для геодинамо и получил значительное внимание, поскольку успешно воспроизводил некоторые характеристики поля Земли. После этого прорыва произошел большой скачок в разработке разумных трехмерных моделей динамо.

Хотя сейчас существует множество самосогласованных моделей, между ними есть существенные различия как в результатах, которые они дают, так и в способах их разработки. Учитывая сложность разработки модели геодинамо, существует много мест, где могут возникнуть расхождения, например, при принятии предположений, касающихся механизмов, обеспечивающих энергию для динамо, при выборе значений параметров, используемых в уравнениях, или при нормализации уравнений. Несмотря на множество различий, которые могут возникнуть, у большинства моделей есть общие черты, такие как четкие осевые диполи. Во многих из этих моделей также успешно воссозданы такие явления, как вековая вариация и изменение полярности геомагнитного поля .

Наблюдения

Визуальное представление модели Глатцмайера после переворота диполя

Многие наблюдения можно сделать с помощью моделей динамо. Модели можно использовать для оценки того, как магнитные поля меняются со временем, и их можно сравнить с наблюдаемыми палеомагнитными данными, чтобы найти сходство между моделью и Землей. Однако из-за неопределенности палеомагнитных наблюдений сравнения могут быть не совсем достоверными или полезными. Упрощенные модели геодинамо показали взаимосвязь между динамо-числом (определяемым дисперсией скоростей вращения во внешнем ядре и зеркально-асимметричной конвекцией (например, когда конвекция благоприятствует одному направлению на севере, а другому — на юге)) и инверсиями магнитных полюсов. как обнаружил сходство между геодинамо и динамо Солнца. Во многих моделях кажется, что магнитные поля имеют несколько случайные величины, которые следуют нормальной тенденции, которая в среднем равна нулю. В дополнение к этим наблюдениям можно сделать общие наблюдения о механизмах, приводящих в действие геодинамо, на основе того, насколько точно модель отражает фактические данные, собранные с Земли.

Современное моделирование

Сложность моделирования динамо настолько велика, что модели геодинамо ограничены нынешней мощностью суперкомпьютеров, особенно потому, что вычисление числа Экмана и Рэлея внешнего ядра чрезвычайно сложно и требует огромного количества вычислений.

Многие улучшения были предложены в моделировании динамо после прорыва в самосогласованном виде в 1995 году. Одним из предложений при изучении сложных изменений магнитного поля является применение спектральных методов для упрощения вычислений. В конечном счете, до тех пор, пока не будет достигнута значительная мощность компьютеров, методы расчета реалистичных моделей динамо должны быть сделаны более эффективными, поэтому усовершенствование методов расчета модели имеет большое значение для развития численного моделирования динамо.  

Смотрите также

Рекомендации

Ноты

• Деморест, Пол (21 мая 2001 г.). «Теория динамо и магнитное поле Земли (курсовая работа)» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 21 февраля 2007 года . Проверено 14 октября 2011 года .
• Фитцпатрик, Ричард (18 мая 2002 г.). «Теория МГД Динамо» . Физика плазмы . Техасский университет в Остине . Проверено 14 октября 2011 года .
• Merrill, Ronald T .; МакЭлхинни, Майкл В .; Макфадден, Филип Л. (1996). Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро ​​и глубокая мантия . Академическая пресса . ISBN   978-0-12-491246-5 .
• Стерн, Дэвид П. «Глава 12: Динамо-процесс» . Великий Магнит, Земля . Проверено 14 октября 2011 года .
• Стерн, Дэвид П. «Глава 13: Динамо в ядре Земли» . Великий Магнит, Земля . Проверено 14 октября 2011 года .

Изобретение динамо-машины. Вернер фон Сименс

Изобретение динамо-машины

Осенью 1866 года Вернеру Сименсу исполнилось 50 лет. Приблизительно к этому времени относится его самое значительное изобретение – он разрабатывает принцип действия динамоэлектрической машины.

Этой проблемой Сименс интересовался издавна, со времени прокладки линий в России. Уже тогда он хотел получать постоянный электрический ток и более высокое напряжение без применения гальванических батарей, только механическими способами. В 1856 году, сконструировав двойное Т-образное якорное устройство, он открыл принцип устройства приборов, обеспечивающих производство постоянного тока. Практически эта мысль впервые воплотилась несколько позже – в магнитных стрелочных телеграфных аппаратах, поставленных фирмой Сименса для государственной Баварской железной дороги, а также в других приборах, например, в сигнальных индукторах для железной дороги, позднее – в телефонных аппаратах и запальных взрывателях.

Осенью 1866 года Сименс снова стал интенсивно заниматься этой проблемой. Он построил индуктор, в котором при движении Т-образного двойного якоря между полюсным наконечником и электромагнитом из мягкого железа оставался небольшой зазор. Электроток, полученный во вращающемся якоре, он применял для возбуждения магнитного поля, образовав таким образом замкнутую цепь из обмотки якоря, обмотки возбудителя и внешним участком цепи. Для взаимного усиления тока в якоре и магнитного поля вполне хватало остаточного магнетизма.

И хотя многие изобретатели, например, датчанин Сорен Йорт, венгр Аньош Йедлик, англичанин Альфред Варли и Чарльз Уитстон работали над этой проблемой независимо друг от друга, в одно и то же время или опережая друг друга, в пользу Сименса говорит то, что ему первому стало совершенно очевидным значение открытия динамоэлектрического принципа, или принципа самовозбуждения. Он убедительно изложил свои научные выводы, непосредственно связанные с этим открытием, в докладе, зачитанном профессором Густавом Магнусом 17 января 1867 года в Берлинской Академии наук, который закончил его следующими словами: “В настоящее время техника получила возможность вырабатывать электрический ток любой силы дешевым и удобным способом везде, где есть свободная механическая энергия. Этот факт будет иметь большое значение для многих областей техники”.

Если первоначальной целью Сименса было получение более высокого напряжения для передачи сообщений, то с изобретением динамо-машины появился источник энергии, обеспечивавший гораздо большую силу тока, которую можно было использовать для освещения и привода механизмов. Понимая это, Сименс должен был последовательно и интенсивно заниматься разработкой практического использования сильноточной техники.

Интересно проследить за тем, как открытая в 1831 году Фарадеем индукция, стала физической основой сильноточной техники. Пиксии, Якоби, Давенпорт, Вагнер и многие другие десятилетиями пытались сконструировать машины, работающие на этом принципе. Но только Сименсу удалось на основе открытого им принципа самовозбуждения обосновать экономически возможность применения техники сильных токов.

Решить задачу поддержания молодой развивающейся техники сильных токов физическими и математическими расчетами удалось англичанам Максвеллу и Гопкинсу.

После 1866 года прошло много времени – целых 12 лет, – прежде чем динамо-машина была построена и внедрена в практику. В эти годы были разработаны не только теоретические основы этого открытия, но пройден первый, самый трудный период становления; повсеместно начали проводиться практические работы, создавшие основу для значительных конструктивных усовершенствований созданного аппарата.

Сначала производство динамо-машин не было прибыльным, а чтобы оно могло “дозреть” и начать развиваться, фирма должна была зарабатывать необходимые деньги в ставших для нее уже традиционными областях: в строительстве телеграфных линий, изготовлении и укладке морского кабеля, а после 1870 года в новой развивающейся отрасли – сигнализации на железнодорожном транспорте.

Вернер Сименс — изобретатель, мыслитель

Вернер Сименс появился в нужное время и в нужном месте. В середине ХIХ века Германия из аграрной, раздробленной страны стала превращаться в единую, блестяще оснащенную технически промышленную державу. И Вернер Сименс своими изобретениями не только поспособствовал такому преображению Германии, но и без устали пропагандировал науку и технику. Особенностью Cименса как изобретателя было то, что он сразу же пытался довести свои изобретения до их коммерческого использования.

Вернер фон Сименс.

Вернер фон Сименс родился 13 декабря 1816 года в деревушке Ленте, что в Нижней Саксонии. Отец будущего изобретателя, Кристиан Фердинанд, не имел никакого отношения к технике — он с переменным успехом занимался, сельским хозяйством.
Во времена юности Вернера в Германии существовал, пожалуй, один верный способ получить «билет» в обеспеченное будущее, а именно — стать офицером знаменитой прусской армии. Именно по этой причине отец посоветовал Вернеру стать военным. Молодой Сименс послушал отца, и так началась его военная служба в инженерно-артиллерийской школе в Берлине. Однако для этого 17-летнему юноше пришлось преодолеть долгий путь, ведь дорогу до Берлина он преодолел пешком.
Однако сходу поступить в королевскую гвардейскую артиллерию Сименсу не удалось. Впрочем, молодому человеку посоветовали попробовать свои силы в артиллерийской бригаде в Магдебурге, куда его в итоге и приняли.
Однако Вернеру повезло, его на три года командировали в Берлин для получения технического образования. В объединенной инженерно-артиллерийской школе он изучал не только баллистику, но также химию, математику и физику.
В Берлине Сименс впервые в жизни попал в «царство» техники. Оптический телеграф, литейные мастерские, паровые машины, химические мастерские, газовые фонари — все это и многое другое завораживало юношу и одновременно пробуждало интерес к овладению науками.
Однако в 1839-1840 годах один за другим умирают родители Сименса. Вернер был старшим в многодетной семье, потому на его плечи легла обязанность позаботиться о своих девяти младших братьях и сестрах. В будущем эта забота окупится с лихвой — братья Вильгельм и Карл станут надежными помощниками Вернера.
Но пока он являлся только младшим офицером, потому в полной мере помочь семье не мог. По этой причине Вернер решает одновременно со службой получать доход с изобретательства.

Электролиз и стрелочный телеграф

Cтрелочный телеграфный аппарат фирмы Siemens & Halske.

Сименс начал свою карьеру изобретателя с разработки метода гальванического покрытия металлов золотом и серебром. Он получил за это изобретение первый в своей жизни патент и, что более важно, спас многие человеческие жизни.
Здесь стоит напомнить, что золочение железа или бронзы было крайне вредным для человеческого здоровья занятием. Типичная в то время технология золочения выглядела следующим образом. Золото растворяли в ртути и получали золотую амальгаму. После покрытия этой амальгамой железа, ее нагревали, чтобы испарилась ртуть. Именно ядовитые пары ртути и приводили к летальным исходам среди рабочих. Например, при золочении куполов Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге в 1838-1841 годах от отравления парами ртути погибло 60 рабочих.
Метод Сименса, датируемый 1842 годом, заключался в электролизе — совокупности процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Любопытно, что ряд опытов Сименс поставил в магдебургской тюрьме, куда он попал за участи

8.1. Первые электрические машины — Энергетика: история, настоящее и будущее

8.1. Первые электрические машины

К концу первой половины XIX века были доказаны взаимосвязь между различными явлениями природы и взаимопревращение различных форм движения материи: установлена связь тепловой и механической, электрической и тепловой, электрической и химической, электрической и магнитной форм энергии.

Начало практическому использованию электричества положили те области применения, которые не требовали значительных затрат электроэнергии, – телеграфия, телефония, военное дело (воспламенение пороховых зарядов, электрическое взрывание мин), дистанционное управление и др. В процессе создания различных устройств при этом использовании электричества важно было решить ряд практических и теоретических проблем: совершенствовать источники тока, создавать разнообразные приборы и приспособления, в том числе автоматические, изготовлять изолированные проводники, исследовать свойства различных материалов, разрабатывать методы измерений, устанавливать единицы измерения величин. Все это привело к разработке схем и методов, получивших применение в современной телемеханике и телеуправлении.

Практически расширение области применения электричества тормозило отсутствие хорошего, экономичного источника электрического тока. Примерно до 1870 г. наиболее распространенными источниками электрического тока были электрохимические (гальванические) элементы и аккумуляторы (в 1854 г. немецкий врач В.И. Зинстеден открыл способ аккумулирования, а в 1859 г. француз Г. Планте построил свинцовый аккумулятор). Проблема экономичного источника электрической энергии была решена только созданием совершенной конструкции электромашинного генератора, в развитии которого можно отметить три основных этапа. Первый этап (1831–1851) характеризуется созданием магнитоэлектрических машин.

Как отмечалось ранее, опыты Эрстеда по отклонению магнитной стрелки током стали той искрой прометеева огня, которую исследователи и изобретатели превратили в громадное пламя…

Открытие Фарадеем в 1831 году явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока. Уже вскоре после этого открытия ученые и изобретатели стали стремиться к тому, чтобы применить данное явление к получению электричества при помощи энергии движения.

Магнитоэлектрическая машина основана на том, что электрический ток может быть вызван без всякой батареи одним передвижением магнита относительно замкнутых проводников.

Первый изобретатель электрического генератора, основанного на явлении электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие явления электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное латинскими буквами Р. М., и приложенный к нему чертёж. Оно содержало описание первого в мире синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Внимательно разобравшись в этом проекте, Фарадей направил письмо и чертёж в тот же журнал, в котором был напечатан его доклад. Он надеялся, что неизвестный автор, следя за журналом, увидит опубликованным свой проект и сопровождавшее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее это изобретение. Действительно, спустя почти полгода Р.М. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами Р.М. Человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, не знает, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений.

Машина Р.М. была первым генератором переменного тока и не имела устройства для выпрямления тока. С помощью этого генератора удалось разложить воду (поскольку ток был переменным, то при электролизе получилась смесь водорода и кислорода – гремучий газ). Необходимо было создать машину, в которой можно было бы получать ток, постоянный по величине и направлению.

Почти одновременно с неизвестным автором конструированием генераторов занимались в Париже братья Пиксии и профессор физики Лондонского университета, член Королевского общества В. Риччи. Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный – так называемый коллектор. Первая магнитоэлектрическая машина братьев Пиксии (рис. 8.1) была построена в 1832 году. Она явилась предшественницей всех динамо-машин в широком смысле слова, т.е. всех машин, служащих для превращения энергии движения в электрическую энергию. Ее следует считать родоначальницей целого поколения разнообразных машин, предназначенных для получения электрического тока. Мимо неподвижных катушек Е и Е ‘, снабженных сердечниками, движутся посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита А, В, вследствие чего в катушках вызываются токи переменного направления. В генераторе братьев Пиксии нужно было вращать тяжелые постоянные магниты, что затрудняло пользование им. Со временем поняли, что целесообразнее сделать неподвижными постоянные магниты, а вращать более легкие катушки между полюсами магнитов. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Сильный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. В 1854 году в Париже была открыта первая фабрика «Compagnie L’Alliance» по изготовлению крупных магнитоэлектрических машин (рис. 8.2). В генераторе

«Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. Различные варианты таких генераторов имели разное число рядов магнитов (3,5,7). В промежутках между рядами магнитов устанавливались на валу кольца с большим числом катушек-якорей. На валу был укреплен коллектор с изолированными друг от друга и от вала машины металлическими пластинами. Коллекторными щетками служили специальные ролики. В машине было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки.

 

Рис. 8.1. Первая магнитоэлектрическая машина братьев Пиксии

Рис. 8.2. Генератор «Альянс»

 

 

В генераторе «Альянс» можно было изменять соединение обмоток катушек, в результате чего менялась э.д.с. в цепи. Поэтому генератор мог давать или большой ток низкого напряжения и служить, например, для целей гальванопластики и электролиза, или ток меньшей силы, но более высокого напряжения (40–250 В) для питания дуговых ламп.

постоянных магнитов электромагнитами, возбуждаемыми током от магнитоэлектрической машины, высказал в 1851 году В. Зинстеден. Так начался второй этап развития электрогенераторов, занявший сравнительно небольшой отрезок времени.

 

Рис. 8.3. Магнитоэлектрическая машина Сименса

 

Рис. 8.4. Первая динамо-машина постоянного тока Сименса

В 1856 г. важнейшее усовершенствование в конструкцию магнитоэлектрической машины, а именно в конструкцию движущихся магнитных катушек и их железных сердечников, внес Вернер Сименс. Такие катушки с железом внутри называются якорем. Сименс придал якорю более удобную форму в виде «двойного Т». Якорь вращается между полюсами плотно обхватывающих его магнитов, причем количество магнитов может быть легко увеличено при соответствующем увеличении длины якоря. Якорь Сименса позволил в дальнейшем усовершенствовать конструкцию магнитоэлектрической машины (рис. 8.3). В конце того же года Сименс обратил внимание на то, что железо сердечника электромагнита сохраняет следы магнетизма и после выключения тока. Этот остаточный магнетизм оказался достаточным для начала процесса самовозбуждения. Отпала необходимость в отдельном генераторе для питания обмотки электромагнита. Таким образом, Вернер Сименс установил принцип создания и построил первую динамоэлектрическую машину постоянного тока (рис. 8.4) для взрывания мин, которую и продемонстрировал в конце 1866 г. перед несколькими выдающимися физиками. 17 января 1867 г. Сименс выступил в Берлинской академии наук с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Этот доклад заканчивался словами: «…современной технике даны средства дешевым и удобным способом вызывать электрические токи неограниченной силы повсюду, где имеется рабочая сила. Этот факт будет иметь большое значение во многих ее отраслях».

Большим шагом вперед в развитии электрических генераторов было открытие принципа самовозбуждения, который получил широкую известность после 1867 года. Именно после 1867 года, когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением, начался третий этап в развитии электрического генератора.

Бельгиец Теофил Грамм в 1869 г. создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине Грамм использовал принцип самовозбуждения, а также усовершенствовал якорь Сименса, придав ему форму кольца. Он обвил железное кольцо непрерывной проволокой, концы которой соединил вместе, и таким образом получил спираль. Обороты спирали в каждой половине кольца соединены последовательно, но обе половины обмотки кольца соединены противоположно друг другу. Токи с обеих сторон направляются к верхней точке кольца, образуя положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отрицательный полюс. Кольцевая машина Грамма (рис. 8.5) явилась первой практической динамо-машиной с барабанным якорем. Такая весьма сложная конструкция якоря с незначительными усовершенствованиями используется и в настоящее время. Барабанный якорь позволяет достичь кругового пути прохождения максимального количества линий сил, возбуждающих ток в обмотке электромагнитов. Грамм дал несколько конструкций своей машины. В одной из первых его машин кольцевой якорь был укреплен на горизонтальном валу. Он вращался между охватывавшими его полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводный шкив. Обмотка электромагнита была включена последовательно с обмоткой. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводился с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора.

Вернер Сименс (1816–1892) – немецкий электротехник и предприниматель, член Берлинской академии наук, основатель и главный владелец электротехнических концернов «Сименс и Гальске», «Сименс и Шуккерт» и др. В 1834 году Вернер Сименс с отличием окончил Любекскую гимназию и, успешно выдержав экзамены, поступил в Артиллерийское инженерное училище в Мальденбурге. Счастливым чувствовал себя молодой В. Сименс, когда его командировали на три года в Берлин для получения технического образования в Объединенной инженерноартиллерийской школе. Это полностью отвечало его склонностям к учебе. Здесь под руководством опытных учителей, преподававших также в Берлинском университете, он начал изучать математику, физику, химию и, конечно, баллистику – основу артиллерии. Это дало ему возможность удовлетворить жажду знаний и проявить изобретательский талант, получив фундаментальное образование в военном учебном заведении. В 1841 году Вернер Сименс получил патент на способ гальванического серебрения и золочения. Это было первое изобретение Сименса в области электротехники. Он занимался изобретательством и научными опытами по применению взрывчатой хлопчатой бумаги. Уже в 1845 году Вернер становится одним из наиболее заметных молодых ученых в недавно образованном Физическом обществе. В это время он делает ряд изобретений по телеграфной части, а также изобретает стрелочный телеграф, поскольку оптический телеграф в то время воспринимался как не соответствующий уровню технического развития. В 1846 году Сименс вошел в состав комиссии Политехнического общества Берлина по введению электрических телеграфов в Пруссии. В это время он изобрел специальную машину для покрывания медной проволоки гуттаперчей; машина эта вошла во всеобщее употребление при производстве изолированных проводников для подземных и подводных телеграфных кабелей.17 января 1867 г. в Берлинской академии наук Вернер Сименс изложил теорию, являющуюся исходным моментом всей современной электротехники, и представил совершенную конструкцию генератора постоянного тока с самовозбуждением. Он же предложил ртутную единицу сопротивления, впоследствии преобразованную в Ом, а единице электрической проводимости было присвоено наименование сименс.Сименс много сделал для развития немецкой и европейской электротехники. Он был инициатором образования Берлинского электротехнического союза (1879), основателем и председателем Общества патентов в Берлине, меценатом в области науки и культуры. На своих предприятиях он проводил обдуманную социальную политику. Удивительные слова принадлежат ему: «Мои капиталы будут жечь мне руки подобно раскаленному железу, если я не поделюсь с теми, кто помог мне получить этот доход, причитающейся им долей». Сименс был новатором во всем, чего касался его гений. В конце жизни Сименс написал: «Я считаю свою жизнь удавшейся, так как она была заполнена усилиями, которые почти всегда были успешными, и работой, приносящей пользу людям».

Рис. 8.5. Кольцевая машина Грамма

Машина Грамма в сравнении с магнитоэлектрической машиной такого же веса развивала в шесть раз большую мощность. Этот генератор быстро вытеснил генераторы других типов и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов XIX века был уже хорошо известен принцип обратимости и машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

В течение 70–80-х годов XIX века машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины, а были направлены на повышение качества, улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, повышение качества щеток и пр.

Очень важное усовершенствование заключалось в значительном снижении скорости вращения якоря. Высокая скорость вращения была необходима для получения достаточной электродвижущей силы. Но такой же результат может быть получен и путем увеличения диаметра кольца. При этом электромагнит был помещен внутрь кольца. Такая многополюсная динамо-машина была установлена на центральной электрической станции и питала до 2000 осветительных электроламп накаливания постоянного тока.

В процессе эволюции конструкции динамомашины было подмечено, что для некоторых целей, а главным образом для питания дуговых осветительных ламп, можно пользоваться невыпрямленным током переменного направления. При этом конструкция машины значительно упрощается, так как коллектор становится лишним и заменяется двумя кольцами.

Первой побудительной причиной развития динамо-машин переменного тока (так называемых «альтернаторов») послужило изобретение Яблочковым его «электрической свечи».

На рис. 8.6 представлен альтернатор Ганца, конструкция которого состоит из насаженного на вал лучеобразного индуктора Е, против каждого из десяти лучей (полюсов) которого расположено 10 катушек якоря, закрепленных на внутренней поверхности кольцеобразной железной рамы. При вращении индуктора в обмотках катушек возникают токи, постоянно меняющие направления. Обмотки же этих катушек соединены так, что при каждом положении индуктора в них одновременно возникают токи одного направления.

Рис. 8.6. Альтернатор Ганца

Вскоре берлинская фирма Сименса предложила свою конструкцию динамо-машины переменного тока (рис.8.7), конструкция которой интересна тем, что в индукторах не имеется железных сердечников, а для возбуждения используется дополнительная маленькая машина постоянного тока. Такая динамо-машина позволяла получать переменный ток значительно более высоких напряжений для питания нескольких независимых электрических цепей со многими последовательно включенными дуговыми лампами.

Второй побудительной причиной широкого распространения динамо-машин переменного тока явилась легкость трансформации переменного тока. Эта замечательная способность преобразования (трансформации) переменного тока была впервые использована Голардом в 1883 г. и усовершенствована Ганцем.

Рис. 8.7. Динамо-машина переменного тока Сименса

Первые динамо-машины были предназначены в основном для питания различных осветительных устройств. Однако широкое промышленное применение системы электрического освещения получили с совершенствованием конструкции и технологии строительства мощных центральных городских электрических станций и систем распределения электрической энергии.

Для приведения в действие динамо-машин в первое время применялись три вида двигателей: паровые, газовые и гидравлические.

Паровые двигатели состояли из парового котла, паропроводной трубы и собственно паровой машины. Из-за специфических условий сооружения генераторных станций (ограниченное помещение и относительная близость жилых зданий) преимущественное распространение получили водотрубные котлы, в которых испаряющаяся вода помещается во многих узких сообщающихся между собой трубках, охватываемых пламенем. Паровые двигатели, используемые в качестве привода динамо-машин, должны были отвечать определенным требованиям. В частности, динамо-машина требует от парового двигателя очень равномерного хода

не только относительно числа оборотов в минуту, но и в отношении скорости вращения в течение отдельных оборотов. Если эта равномерность не достигается, то напряжение на выходе динамо-машины колеблется в значительном диапазоне, к чему очень чувствительны осветительные лампы накаливания: они мигают, например, когда по шкиву проходит слишком толстый шов на ремне или когда ремень слишком слабо натянут (рис. 8.8). Подобные случайности заставили машиностроителей и электротехников полностью отказаться от ненадежных ремней. Однако сделать это было нелегко еще и потому, что у паровых машин и динамо-машин была различная угловая скорость вращения валов – соответственно 200 и 1000 оборотов в минуту. Чтобы уравнять угловую скорость шкивы машин приходилось делать различного диаметра, что обуславливало необходимость соединения их ремнем. Первые быстроходные паровые машины, соединенные с динамо-машиной без помощи ремня, были построены на заводах Вестингауза. Сущность устройства заключается в применении паровых цилиндров с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым в движение паром. При этом весь механизм заключен в оболочку, так что из движущихся частей наружу выдаются лишь оба конца вала (рис. 8.9).

Рис. 8.8. Паровой двигатель и динамо-машина, соединенные ремнем

Рис. 8.9. Быстроходная паро-динамическая машина Вестингауза

Рис. 8.10. Газомотор Кертинга

 

Кроме паровых машин, для вращения динамо-машин в тех местах, где имелся газопровод, применялись газомоторы. Преимущество газомоторов заключалось в том, что они требуют сравнительно мало места и могут быть приведены в действие за нескольких минут. Самое широкое распространение получили газомоторы Отто, которых к концу 1894 г. для получения электрического освещения было установлено около 3000. Газомоторный завод в Дейтце (Германия) занимался специально разработкой газового двигателя для целей электрического освещения. Такой двигатель обеспечивал достаточно равномерное вращение и, соответственно, совершенно ровный свет. На заводах в Кергтиндорфе близ Ганновера известная в то время фирма братьев Кертинг организовала массовое производство газомоторов для целей электрического освещения (рис. 8.10).

Наиболее экономичными с точки зрения стоимости производства электроэнергии являются гидравлические двигатели, использующие энергию падающей воды. В качестве водяных двигателей применялись гидротурбины как с вертикальной, так и с горизонтальной осью. Динамо-машина с приводом от гидротурбины (рис. 8.11) была построена фирмой «Эсслинген» для завода Терни в Италии. Вода подавалась на лопатки гидротурбин с высоты 280 м при давлении в 18 атмосфер. Благодаря возможности пользования несколькими турбинами в работу вводилось столько динамо-машин, сколько было необходимо в данный момент времени.

Рис. 8.11. Динамо-машина с приводом от гидротурбины

Солнечные панели и Динамо-машины: Зарядное устройство

  Многие из нас не раз сталкивались с проблемой зарядки батареи мобильного телефона во время каких-либо поездок. (Обзорная статья об этом устройстве)

Зачастую, отправляясь в дорогу, мы попросту забываем взглянуть на дисплей телефона и убедиться, что его батарея заряжена.

И только в пути выясняется, что принять важный вызов невозможно, потому как телефон вот-вот выключится.

У кого-то из нас бывают и просто столь длительные поездки, что даже полностью заряженная батарея телефона успевает разрядиться, а доступа к сети переменного тока, по стечению обстоятельств, нет.

Соответственно и возможности воспользоваться штатным зарядным устройством из комплекта телефона также нет.

Да мало ли какие еще ситуации могут быть в жизни. Но к мобильным телефонам, а точнее к постоянному наличию телефонной связи, большинство из нас настолько привыкли, что без нее чувствуют себя очень дискомфортно, даже в случае, если эта связь в какой-то промежуток времени не нужна вовсе.

Хорошо, если в таких ситуациях в распоряжении «пострадавшего» постоянно имеется, например, бортовая сеть автомобиля.
Тогда можно воспользоваться автомобильным зарядным устройством.

Но что же делать, если необходимо подзарядить батарею мобильного телефона в иных условиях, например, в туристическом походе, где нет привычных и при этом доступных источников энергии, подходящих для питания телефона?

Для таких случаев Вам просто необходимо приобрести Походное зарядное устройство — динамо-машину, которое выручит Вас в таких экстремальных ситуациях.
В комплект входит

• Динамо-машина с ручным приводом

Автономное зарядное устройство состоит из динамо-машины с ручным приводом, то есть, так необходимый в походных условиях источник энергии.

Агрегат невелик, так как снабжен складной рукояткой.

Его максимальные габариты в сложенном состоянии составляют 58х47х32 мм.

Такой немаловажный с точки зрения транспортировки параметр, как вес, также незначителен и сопоставим с весом современных мобильных телефонов (около 85 грамм).

Корпус устройства имеет изогнутую форму со скругленными торцами, поэтому во время эксплуатации он удобно располагается в руке пользователя.

Материал, из которого изготовлен этот корпус, представляет собой полупрозрачный дымчатый пластик, а складная рукоятка выполнена из черного пластика.

На корпусе зарядного устройства имеется разъем для подключения удлинительного кабеля, входящего в комплект, светодиод красного свечения и прикрепляемый на запястье ремешок, который может оказаться действительно полезным в походных условиях.

Как работает Походное зарядное устройство:
Для приведения зарядного устройства в рабочее состояние и соединения его с мобильным телефоном необходимо выполнить четыре простейших операции.

1. Включить в разъем динамо-машины удлинительный кабель.
2. Включить в разъем удлинительного кабеля переходник, подходящий для соединения с мобильным телефоном, батарею которого необходимо подзарядить.
3. Включить переходник в разъем этого мобильного телефона.
4. После этого можно раскрыть складную рукоятку динамо-машины и воспользоваться готовым к работе зарядным устройством.

Пользоваться автономным зарядным устройством как нельзя просто.
Достаточно всего лишь вращать рукоятку динамо-машины с частотой, достаточной для того, чтобы на экране подзаряжаемого мобильного телефона индицировался процесс зарядки батареи.
Достаточно вращать ручку динамо-машины в течение трех минут с частотой 2-2.5 оборота в секунду. После этого, пользователю будет обеспечено от трех до пяти минут мобильной связи.
Напряжение на выходе ЗУ без нагрузки составляет 6.4 В!
Напряжение на выходе ЗУ под нагрузкой составляет 6.0 В!

Итак, вращаем рукоятку динамо-машины и наблюдаем за дисплеем телефона.
Вполне естественно, что чем дольше телефон пролежит в выключенном состоянии с разряженной батареей, тем больше придется трудиться пользователю, до того как начнется процесс подзарядки.
Поэтому мы рекомендуем, если имеется такая возможность, начинать подзарядку сразу после отключения телефона.
Что касается требуемой для подзарядки частоты вращения рукоятки динамо-машины, то в случае с мобильным телефоном Nokia 8850 вполне хватило 1.7 оборота в секунду (приблизительно 100 оборотов в минуту).
Но для полноценного питания других телефонов может потребоваться и несколько большая частота вращения.
Следующее, о чем стоит упомянуть, так это о нагрузке на рукоятку динамо-машины во время подзарядки батареи мобильного телефона. Нагрузка эта неравномерна!
Нетрудно догадаться, что зависит она от нагрузки на динамо-машину. Другими словами от тока, потребляемого мобильным телефоном в различные моменты времени в процессе подзарядки батареи. Ток этот может изменяться в довольно широких пределах, и, следовательно, усилие, требуемое для вращения рукоятки, может изменяться от совсем незначительного, до, скажем так, ощутимого. Нет, ничего сверхъестественного от пользователя зарядного устройства, конечно, не потребуется, но упомянуть о таком поведении динамо-машины, я думаю, стоило хотя бы для того, чтобы пользователи не пугались, думая, что их зарядное устройство неисправно.
Помимо функции источника энергии динамо-машина, входящая в комплект устройства, может выступать не только в роли источника энергии для подзарядки батареи мобильного телефона, но и автономно в роли обычного фонарика. Именно для этих целей в ее корпусе смонтирован светодиод.
Пользоваться таким фонариком очень легко. Достаточно просто вращать рукоятку динамо-машины, при этом оставив разъем для подключения удлинительного кабеля свободным. То есть попросту ничего не подключать к динамо-машине. В этом случае при вращении рукоятки светодиод будет светиться, и устройство может выполнять функции фонарика, не требующего для своей работы никаких элементов питания.
Для полного свечения светодиода достаточно вращать рукоятку с частотой около полутора оборотов в секунду (83-90 оборотов в минуту).
Вращение рукоятки зарядного устройства с большей частотой никаких улучшений не принесет, — светодиод не будет светиться ярче, так как питающее его напряжение контролируется стабилизатором напряжения динамо-машины (аналогично процессу подзарядки батарей мобильных телефонов).

Вы все еще сомневаетесь, купить или нет походное зарядное устройство? Не сомневайтесь!!! Походное зарядное устройство послужит Вам и Вашим друзьям в любых ситуациях.

ГЕНЕРАТОРЫ

Динамо-машина, изобретенная Фарадеем в 1831 году, безусловно, является примитивным устройством по сравнению с мощными, высокоэффективными генераторами и генераторами переменного тока, которые используются сейчас. Тем не менее, эти машины работают по тому же принципу, что и изобретенный великим английским ученым. Когда его спросили, какова польза от его нового изобретения, Фарадей в свою очередь спросил: «Какая польза от новорожденного ребенка? Собственно говоря, новорожденный ребенок вскоре стал незаменимым устройством, без которого нам не обойтись.

Несмотря на то, что они используются для работы определенных устройств, требующих для работы небольших токов, батареи и элементы вряд ли будут обеспечивать свет, тепло и энергию в больших масштабах. Нам нужно электричество, чтобы зажигать миллионы ламп, управлять поездами, поднимать вещи и приводить в движение машины. Батареи не могли обеспечить достаточно электричества для выполнения всей этой работы.

Что используются динамо-электрические машины, с помощью которых механическая энергия преобразуется непосредственно в электрическую с потерей лишь нескольких процентов.Подсчитано, что они производят более 99,99% всей электроэнергии в мире.

Есть два типа динамо-машин: генераторы и генераторы переменного тока. Первый подает d-c, который подобен току от батареи, а последний, как следует из названия, обеспечивает a-c. Для выработки электричества они оба должны постоянно получать энергию из какого-либо внешнего источника механической энергии, такого как паровые двигатели, паровые турбины или водяные турбины.

И генераторы, и генераторы состоят из следующих основных частей: якоря и электромагнита.Электромагнит генератора постоянного тока обычно называют статором, поскольку он находится в статическом состоянии, в то время как якорь ротора вращается. Генераторы переменного тока можно разделить на два типа: 1. генераторы со стационарным якорем и вращающимся электромагнитом; 2. генераторы, якорь которых служит ротором, но это делается редко. Для получения сильного ЭМ Ф,

роторы в больших машинах вращаются со скоростью тысячи оборотов в минуту (об / мин).

Чем быстрее они вращаются, тем большее выходное напряжение производит машина.

Чтобы производить электроэнергию в наиболее экономичных условиях, генераторы должны быть как можно более крупными. В дополнение к этому, они должны быть все время максимально загружены. Здесь интересно отметить, что самые большие генераторы, которые когда-либо устанавливались на любой гидроэлектростанции в мире, — это те, которые были установлены в России.

F. Определите следующие термины.

электродвижущая сила, электрическая цепь, эффект нагрева электрическим током, магнитный эффект

электрический ток, электромагнит, генератор, генератор переменного тока, якорь, оборот, шкала, амплитуда.

H. Переведите следующие предложения, используя новое слово stock.

1. Синхронный генератор — единственный тип генератора переменного тока, который сейчас широко используется.

2. Он состоит из блока, создающего магнитное поле (структура поля), и блока, в котором индуцируется ЭДС (якорь).

3. Синхронные генераторы могут быть сконструированы как с якорем, так и с полевой структурой в качестве вращающегося блока.

4. Малогабаритные генераторы изготавливаются с вращающейся арматурой.

5. Необходимое магнитное поле создается с помощью электромагнитов постоянного тока, размещенных на неподвижном блоке (статоре), а генерируемый ток собирается с помощью щеток и контактных колец на вращающемся блоке.

6. Все большие синхронные генераторы выполнены с вращающимся полем.

7. Для вращающегося якоря должно быть три контактных кольца, а для низковольтного вращающегося поля — только два.

8. Первичным двигателем синхронного генератора может быть паровая турбина, водяное колесо,

двигатель внутреннего сгорания (чаще всего дизельный), электродвигатель.

9. Якорь имеет пазы, в которые вставляется обмотка якоря.

10. Существует два типа конструкции поля: явнополюсный и цилиндрический или

.

неявнополюсного типа.

11. Явнополюсный тип состоит из стальной поковки цилиндрической формы, на ободе которой расположены сердечники полюсов.

12. На контактных кольцах установлены щетки, подключенные к источнику постоянного тока.

13. Генератор постоянного тока называется возбудителем.

14. Номинальное напряжение возбудителя может быть от 60 до 350 В.

15. Синхронные генераторы могут охлаждаться воздухом или водородом.

16. Водородное охлаждение — хороший способ вентиляции генератора.

I. Прочтите и переведите текст, обращая внимание на грамматику и новые лексические единицы.

---

Дата: 28 декабря 2014 г .; посмотреть: 1206

---

Генераторы и динамо

Развитие и история компонента, который первым сделал электричество коммерчески осуществимо

Динамо Генераторы преобразуют механическое вращение в электрическую энергию.

Динамо — устройство, вырабатывающее постоянного тока электроэнергии с помощью электромагнетизма.Он также известен как генератор, однако термин «генератор» обычно относится к «генератору переменного тока», который вырабатывает мощность переменного тока.

Генератор — обычно этот термин используется для описания генератора , который создает мощность переменного тока, используя электромагнетизм.

Генераторы, Динамо и батареи — три инструмента, необходимые для создания / хранения значительное количество электроэнергии для использования людьми.Аккумуляторы возможно, был обнаружен еще в 248 году до нашей эры. Они просто используют химические реакция на производство и хранение электричества. Ученые экспериментировали с батарея для изобретения первых ламп накаливания, электродвигателей и поезда и научные испытания. Однако батареи не были надежными или рентабельно для любого обычного электрического использования, именно динамо-машина радикально изменил электричество из диковинки в рентабельное, надежное технологии.

1. Как это работает
2. Краткая история динамо-машин и генераторов
3. Видео генераторов

1.) Как Это работает:

Базовый:

Сначала вам понадобится механический источник энергии, такой как турбина (приводимая в действие падающей водой), ветряная турбина, газовая турбина или паровая турбина. Вал от одного из этих устройств подключен к генератору для выработки энергии.

Динамо и генераторы работают используя дикие сложные явления электромагнетизма . Понимание поведение электромагнетизма, его полей и его эффектов очень велико. предмет исследования. Есть причина, по которой прошло 60 лет ПОСЛЕ Вольты первая батарея, чтобы заработала хорошая мощная динамо-машина. Мы поможет познакомить вас с интересным предметом выработки электроэнергии.

В самом общем смысле Генератор / динамо-машина — это один магнит, вращающийся во время воздействия магнитного поля другого магнита. Вы не видите магнитное поле, но это часто иллюстрируется линиями потока. На иллюстрации над линиями магнитного потока будут следовать линии, созданные железом документы.

Генератор / динамо изготовлен сборка неподвижных магнитов (статор), создающих мощное магнитное поле, и вращающийся магнит (ротор), который искажает и разрезает магнитный магнитные линии статора.Когда ротор прорезает линии магнитного поток делает электричество.

Но почему?

Согласно закону индукции Фарадея если вы возьмете провод и будете двигать его вперед и назад в магнитном поле, поле давит на электроны в металле. Медь имеет 27 электронов, последние два на орбите легко переносятся на следующий атом. Это движение электронов — это электрический поток.

Посмотреть видео ниже показано, как ток индуцируется в проводе:

Если взять много провода например, в катушке и перемещая ее в поле, вы создаете более мощный «поток» электронов.Мощность вашего генератора зависит по телефону:

«л» -длина проводник в магнитном поле
«v» — скорость проводника (скорость ротора)
«B» — сила электромагнитного поля

Вы можете производить расчеты, используя эта формула: e = B x l x v

Посмотреть видео чтобы все это продемонстрировать:

История швейных машин: изобретение, породившее революцию

Швейная машина Singer была настолько революционной, что даже Махатма Ганди, который сторонился всех других машин, сделал для нее исключение.Научившись шить певца в британской тюрьме, Ганди назвал его «одной из немногих полезных вещей, когда-либо изобретенных».

Многие за пределами тюрьмы согласились. Singer Company стала одной из первых транснациональных корпораций Америки, и при этом ошеломляюще успешной. В то время, когда средний доход американца составлял 500 долларов, швейные машины Singer продавались по 125 долларов — а их было , что было продано . Как отмечает TIME, к моменту смерти Исаака Сингера в 1875 году его компания приносила прибыль в размере 22 миллионов долларов в год.

Зингер не изобрел первую швейную машину, но та, которую он запатентовал в этот день, 12 августа 1851 года, была самой практичной и коммерчески выгодной. Его успех был свидетельством трудолюбия Зингера: он работал актером, землекопом и краснодеревщиком, прежде чем разбогатеть в швейной сфере.

Поклонники новой машины — представители всех слоев общества.Среди наиболее примечательных:

• Издатель первого американского журнала мод, Lady’s Book , который хлынул: «Рядом с плугом [швейная машина], пожалуй, самый благословенный инструмент человечества». (После того, как она стала неотъемлемой частью портных, женская мода за ВРЕМЯ разительно изменилась — «украшенная лентами и ярдами машинной вышивки»).
• Братья Райт, которые изготовили покрытие для своего первого крыла самолета по шитью Зингера. машина.
• Адмирал Ричард Берд, полярный исследователь, который взял с собой шесть машин в свои антарктические экспедиции.
• Российский царь Александр III, который заставил своих солдат работать на швейных машинах Зингера, чтобы сделать 250 000 палаток для Императорской армии.

Сам Зингера, однако, заботила не столько полезность устройства, сколько богатство, которое оно ему принесло. «Мне плевать на изобретение. Я ищу десятицентовики, — однажды сказал он, согласно TIME. Возможно, ему больше нравилось другое его творение: первый план платежей, который позволял его клиентам платить в рассрочку за машину, слишком дорогую для большинства, чтобы позволить себе единовременную выплату.

Таким образом, бизнес-идеалам Зингера соответствовало то, что компания, сильно диверсифицировавшаяся в 1960-х и 1970-х годах, полностью отказалась от швейных машин в середине 1980-х — перед лицом усиления конкуренции со стороны азиатских производителей и резкого спада в домашнем шитье — чтобы сосредоточиться на более прибыльном аэрокосмическом подразделении. (Он передал свои швейные операции в отдельную фирму, которая продолжает производство под названием Singer.)

Итак, хотя изобретение Зингера могло произвести впечатление на Ганди, его жизненная философия, скорее всего, не произвела этого.Певица накопила личное состояние около 13 миллионов долларов; некоторые из них, за TIME, «поддержали 24 ребенка, которых Зингер родила от двух жен и по крайней мере трех любовниц. Он умер в Англии в возрасте 64 лет, строя особняк стоимостью полмиллиона долларов, который шутливо называл своим «вигвамом» ».

Узнайте больше о решении корпорации Singer прекратить производство швейных машин. здесь в архивах TIME: Dropped Stitch

Получите наш исторический бюллетень.Поместите сегодняшние новости в контекст и посмотрите основные моменты из архивов.

Визуальная среда сценариев для дизайнеров

Визуальная среда сценариев для дизайнеров | Динамо

Вычислительный дизайн

Dynamo расширяет информационное моделирование зданий с помощью среды данных и логики графического редактора алгоритмов.ПОЛУЧИТЬ DYNAMO➝

Сообщество открытого кода

Dynamo — это инструмент с открытым исходным кодом, созданный на основе сообщества, которое вносит свой вклад в его улучшение. Примите участие

Уроки от экспертов

Учитесь у нашего сообщества архитекторов, инженеров, программистов и дизайнеров.Учиться ➝

MT Højgaard автоматизирует моделирование и ценообразование с помощью Dynamo Studio

Dynamo Studio позволила нам использовать вычислительный дизайн и процесс, управляемый данными, для создания тысяч потенциальных геометрических фигур для гаража.Идея состоит в том, чтобы изучить как можно больше вариантов без необходимости вручную моделировать каждый из них

— Йеспер Валлаерт, специалист по VDC, MT Højgaard

Изобретатель поезда — Кто изобрел поезда?

Более эффективная транспортировка товаров и людей была загадкой, которую многие изобретатели разгадывали на протяжении тысячелетий с момента зарождения первых современных цивилизаций. распространяется с Ближнего Востока и Северной Африки.Несмотря на то, что этот вид транспорта не сильно продвинулся за последние 2000 лет, внедрение промышленных производство, электричество и приток изобретателей породили одну из самых важных отраслей современной человеческой цивилизации — железнодорожную промышленность.

Выяснить, кто создал первые современные образцы поездов, достаточно легко, но точно определить их предшественников, которые сформировали основные идеи железнодорожного транспорта, не составляет труда. гораздо сложнее. Несмотря на то, что нехватка пара, газа или электроэнергии не позволяла более ранним поездам полностью раскрыть свой потенциал, многие примеры таких простых Поезда можно было найти по всей Европе задолго до того, как любой современный поезд начал свое движение и начал менять ландшафт промышленности и гражданского транспорта.В Первый пример этой простой системы поездов «вагон» датируется 2 и 1 тысячелетиями до нашей эры, когда ассирийцы, бабулоняне, персы строили дороги со специфическими колеями колес намеренно врезаны в скалу. Такая конфигурация дороги позволила им легче перевозить фургоны, запряженные лошадьми. или быков, без необходимости управлять или контролировать траекторию фургона. Из-за этого многие из этих цивилизаций разработали посвященные вагонными путями, которые соединяли их главные города с близлежащими торговыми постами или священными местами (Спарта с Эйклией, Афины с Элевсином, Элида с Олимпией).Греки особенно приспособился к этому виду транспорта, даже сумев построить очень впечатляющую повозку под названием Диолкос в древнем Коринфе около 600 г. до н.э., которую многие называют сегодня первая железная дорога за всю историю.

С падением Греции вагоны исчезли из Европы, и им удалось возродиться только в 16 веке, когда возросла торговля эпохи Возрождения. вернул их на всеобщее обозрение. Приведенные в движение лошадьми вагоны позволяли передвигаться намного быстрее и безопаснее, чем по грунтовым дорогам, но промышленники и изобретатели не были удовлетворены этим.Им нужен был более автоматизированный способ перемещения товаров и несколько небольших усовершенствований обычных вагонов (колеса с фланцами, деревянные рельсы) привели только к более обтекаемому движению, но не к настоящей революции.

И эта революция произошла в конце 17 века, когда Томас Савери представил первую стационарную паровую машину. Это изобретение 1698 г. чрезвычайно просты и маломощны, поэтому паровым двигателям потребовалось более 60 лет, чтобы они могли быть использованы для привода поездов.Этот момент наступил в 1763 году, когда Джеймс Ватт взял простые конструкции Томаса Савери и Томаса Ньюкомена и представил коленчатый вал, который мог преобразовывать мощность. пара в круговое движение. Это изобретение наконец позволило изобретателям всего мира начать адаптировать паровой двигатель к машине, которая могла бы приводить в действие автомобили, поезда и лодки всех типов и размеров.

Одними из самых важных первых изобретателей поездов были Мэтью Мюррей, который создал первый паровоз, Ричард Тревитик, который популяризировал поезда. серия демонстраций в Лондоне Джорджа Стефенсона, прославившегося этими поездами для перевозки угля, и Оливером Эвансом, первым в мире изготовившим конденсационный паровой двигатель высокого давления, который в будущем станет стандартной частью всех паровых поездов.

Динамо-бумага | DynamoDB, объяснил.

В 2004 году Amazon.com быстро рос и начал достигать верхних пределов масштабирования своей базы данных Oracle. Он начал рассматривать возможность создания собственной базы данных внутри компании (, примечание для читателей: это почти всегда плохая идея, ). В результате этого эксперимента инженеры создали базу данных Amazon Dynamo, которая поддерживает основную внутреннюю инфраструктуру, включая корзину покупок на веб-сайте Amazon.com.

Группа инженеров, стоящих за базой данных Amazon Dynamo, опубликовала Dynamo Paper в 2007 году. В нем описываются уроки, полученные при создании собственного высокодоступного хранилища ключей и значений, разработанного для удовлетворения жестких требований веб-сайта Amazon.com.

Эта статья оказала большое влияние и послужила вдохновением для создания ряда баз данных NoSQL, включая Apache Cassandra (изначально разработанную в Facebook) и предложения AWS SimpleDB и DynamoDB. В 2012 году Amazon Web Services запустила DynamoDB, управляемую службу базы данных, созданную по образцу принципов, лежащих в основе Dynamo.

Хотите узнать больше о масштабировании DynamoDB? Прочтите этот пост о SQL, NoSQL и Scale: как DynamoDB масштабируется, а реляционные базы данных — нет.

Ключевые аспекты Dynamo

Нет реляционной модели

Реляционная модель данных — удобный способ моделирования многих типов данных. Часто реляционные данные нормализуются для улучшения целостности данных. Вместо того, чтобы дублировать конкретный фрагмент данных в нескольких строках, вы можете хранить его в одном месте и ссылаться на него с помощью операции JOIN из одной таблицы в другую.Теперь вы можете обновить это единственное место, и все элементы, которые относятся к этим данным, также получат преимущества обновления.

Тем не менее, одним из самых интересных открытий инженеров Amazon.com при сборе требований к своим базам данных было то, как их инженеры использовали свои реляционные базы данных:

Около 70 процентов операций относятся к типу «ключ-значение», когда использовался только первичный ключ, а возвращалась одна строка. Около 20% вернут набор строк, но все равно будут работать только с одной таблицей.

— Вернер Фогельс, Десятилетие динамо

Это огромное дело — 90% операций не использовали функциональность JOIN, которая является ядром реляционной базы данных!

Операция JOIN стоит дорого. В достаточно большом масштабе инженеры часто денормализуют свои данные, чтобы избежать дорогостоящих соединений и уменьшения времени отклика. Это уменьшение времени отклика происходит за счет увеличения сложности приложения — теперь вам нужно решать больше проблем с целостностью данных в коде, а не в базе данных.

Инженеры Amazon.com уже пошли на компромисс денормализации, чтобы сократить время отклика. Осознание того, что реляционная модель не нужна инженерам Amazon, позволило дизайнерам Dynamo пересмотреть другие аспекты реляционной базы данных.

Доступность> Согласованность

Большинство реляционных баз данных используют для своих данных строго согласованную модель . Вкратце, это означает, что все клиенты сервера будут видеть одни и те же данные при одновременном запросе.

Давайте использовать Twitter в качестве примера. Представьте себе, что Боб из Вирджинии пишет в Твиттере фотографию кошки в 14:30. Профиль Боба просматривают два пользователя после того, как он разместил свою фотографию в Твиттере: его соседка Шерил и его дядя Джеффри, который живет в Сингапуре. Если бы Twitter использовал строго согласованную модель, и Шерил, и Джеффри увидели бы последний твит Боба, как только он будет занесен в базу данных в результате действий Боба.

Это может быть не идеально по нескольким причинам. Во-первых, подумайте о географии этого сценария.Twitter может выбрать один экземпляр базы данных, чтобы обеспечить эту строгую согласованность. Этот экземпляр базы данных может находиться в Вирджинии, недалеко от Боба и Шерил. Это приводит к быстрым ответам Бобу и Шерил, но очень медленным ответам Джеффри, поскольку каждый запрос должен пересечь океан из Сингапура в Вирджинию, чтобы запросить данные, а затем вернуться из Вирджинии в Сингапур, чтобы вернуть их Джеффри. Это приводит к замедлению чтения для некоторых пользователей .

Вместо поддержки единственного экземпляра базы данных, возможно, Twitter хочет иметь два экземпляра, которые являются точными копиями — один в Вирджинии и один в Сингапуре.Если мы по-прежнему хотим поддерживать строгую согласованность, это означает, что пользователь должен получить один и тот же ответ, если он одновременно запрашивает экземпляр Virginia или экземпляр Singapore. Это может быть реализовано с помощью более сложной системы записи в базу данных — до того, как твит Боба будет зафиксирован в базе данных, он должен быть отправлен как экземпляру Вирджинии, так и экземпляру Сингапура. Теперь по запросу Боба нужно перепрыгнуть через океан и обратно. Это приводит к более медленному времени записи для некоторых пользователей .

В статье Dynamo Amazon отметила, что высокая согласованность важна не во всех сценариях. В нашем примере было бы хорошо, если бы Джеффри и Шерил увидели несколько разные версии моего профиля, даже если они запросили одновременно. Иногда вы можете согласиться на конечную согласованность , что означает, что разные пользователи в конечном итоге будут видеть одно и то же представление данных. Джеффри в конечном итоге увидит твит Боба в Сингапуре, но это может быть в 14:32, а не в 14:30.

Сильная согласованность важна для определенных случаев использования — подумайте об остатках на банковских счетах — но менее важна для других, таких как наш пример Twitter или корзина покупок Amazon, которая послужила импульсом для Dynamo.В таких случаях скорость и доступность важнее, чем последовательное представление о мире. Ослабив модель согласованности реляционной базы данных, инженеры Dynamo смогли предоставить базу данных, которая лучше соответствует потребностям Amazon.com.

Примечание. Этот раздел представляет собой значительное упрощение согласованности, доступности и других концепций баз данных и распределенных систем. Вам действительно следует рассматривать это как очень простой учебник, а не как исчерпывающий текст.

Бесконечно масштабируемый

Последний ключевой аспект Dynamo — его неограниченная масштабируемость без какого-либо отрицательного воздействия на производительность.Этот аспект является результатом ослабления реляционных ограничений и ограничений согласованности из предыдущих баз данных.

При горизонтальном масштабировании системы вы можете либо вертикально масштабировать (использовать более крупный экземпляр сервера с большим количеством процессоров или ОЗУ), либо горизонтально, разделяя данные между несколькими машинами, каждая из которых имеет подмножество вашего полного набора данных. Вертикальное масштабирование становится дорогостоящим и в конечном итоге выходит за рамки доступных технологий. Горизонтальное масштабирование дешевле, но труднее.

Чтобы подумать о горизонтальном масштабировании, представьте, что у вас есть набор данных пользователей, который вы хотите распределить по трем машинам. Вы можете разделить их между машинами на основе фамилий пользователей — от A до H идут на машину 1, от I до Q идут на машину 2, а от R до Z идут на машину 3.

Это хорошо, если вы получаете одного пользователя — вызов для получения Линды Даффи может идти прямо на машину 1 — но может быть медленным, если ваш запрос охватывает несколько машин. Запрос на получение всех пользователей старше 18 должен будет выполняться на всех трех машинах, что приведет к более медленным ответам.

Точно так же мы видели в предыдущем разделе, как строгие требования согласованности могут затруднить горизонтальное масштабирование. Мы бы ввели задержку во время записи, чтобы убедиться, что запись зафиксирована на всех узлах, прежде чем вернуться к записывающему пользователю.

Ослабление этих требований значительно упрощает масштабирование Dynamo по горизонтали без ущерба для производительности. DynamoDB использует согласованное хеширование для распределения элементов по нескольким узлам. По мере увеличения объема данных в вашей таблице DynamoDB AWS может незаметно добавлять дополнительные узлы для обработки этих данных.

DynamoDB позволяет избежать проблемы, связанной с несколькими машинами, поскольку по существу требует, чтобы все операции чтения использовали первичный ключ (кроме сканирования). В предыдущем примере с пользователями нашим первичным ключом может быть LastName, и Amazon распределяет данные соответствующим образом. Если вам действительно нужно запросить через Age, вы должны использовать вторичный индекс, чтобы применить ту же стратегию распространения через другой ключ.

Наконец, поскольку DynamoDB обеспечивает конечную согласованность, он упрощает стратегии репликации ваших данных.Вы можете скопировать свой элемент на три разных компьютера и запросить любой из них для увеличения пропускной способности. Возможно, одна из машин в разное время имеет несколько иное представление об элементе из-за конечной модели согласованности, но это компромисс, который стоит принять во многих случаях использования.