Wie schwer ist es, einen Generator zu bauen, wenn man in die ferne Vergangenheit gesprungen ist?

Fürs Protokoll – meine gesamte Marinekarriere war Elektriker, und mein Abschluss ist Leistungselektronik.

Jeder EE-Student im ersten Jahr hat beobachtet, dass Sie wirklich eine (ziemlich schlechte) Spannung erzeugen können, indem Sie einfach eine Spule in der Luft herumschwenken. Das funktioniert ganz normal, denn die Erde hat ein Magnetfeld – nichts Ungewöhnliches. Es ist schwach – vielleicht sogar schwächer als Sie denken. Aber es reicht für das, was wir brauchen. Das größte Problem ist jetzt, dass der Zeitreisende unbedingt eine Möglichkeit haben muss, den Stromfluss zu korrigieren, oder er versagt vollständig.

Der Grund, warum er es braucht, ist, weil wir den Ausgang des Generators durch Schleifringe in den Eingang eines handgewickelten Elektromagneten am Kern des Generatorendes einspeisen müssen - buchstäblich ein rundes Stück Metall, auf dem ein anderer Leiter fahren kann, zu dem der Magnet ist angeschlossen. Wenn der Eingang nicht gleichgerichtet wird, stellen die Nord- und Südpole des Magnetschalters jeden Zyklus ein und Ihre Lichtmaschine wechselt nicht sehr gut.

Wenn Sie das können, besteht das nächste Problem darin, die Rückkopplungsschleife zu steuern. Beim Versuch, den Generator zu starten, ist alles bestens – Sie haben einen winzigen Stromfluss, der das Feld des ferromagnetischen Kerns allmählich verstärkt. Sobald das Feld hochkommt, haben Sie ein Problem - Sie leiten eine Spannung ungleich Null durch einen sehr niedrigen Widerstand. Dies führt zu einem von zwei Dingen - höchstwahrscheinlich verhindert es, dass Ihr Generator eine funktionsfähige Leistung entwickeln kann, da er kurzgeschlossen ist. Aber wenn Sie wirklich hart arbeiten, ruhige Hände haben und einen ziemlich guten Generatorkopf bauen, wird die Rückkopplungsschleife die Spannung am Generatorkopf erhöhen und Ihre gesamte Arbeit völlig zerstören. Beachten Sie, dass dies keine freie Leistung ist - die Gleichung opfert den Stromfluss für die Spannung und Sie schlagen durch Ihre Isolierung.

Ich überspringe einige der eher technischen Dinge, indem ich sage, dass es viel wahrscheinlicher ist, dass der mutige Abenteurer gezwungen wäre, eine DC-Maschine zu bauen. Dies ist tatsächlich schwieriger herzustellen, ermöglicht jedoch die Verwendung eines speziellen mechanischen Gleichrichters, der als Kommutator bezeichnet wird. Der Kommutator ist ein mehrschichtiger Ring aus leitenden Abschnitten, die durch einen mineralischen Isolator in dünne Streifen getrennt sind, auf denen ein Leiter beim Rollen rutschen kann. Jeder Satz von Abschnitten auf einander gegenüberliegenden Seiten ist mit einer separaten Leiterschleife verbunden, und es sind keine zwei Sätze verbunden. Da der Strom in festen Winkeln in den Kommutator ein- und ausgeht, können die entsprechenden Magnete in einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Ein- und Austrittsleiter des Kommutators platziert werden - der Rotor dreht sich, aber das Verhältnis zwischen den Magnetfeldern kehrt sich nicht um. (Ja,

Das hat unser Reglerproblem immer noch nicht gelöst, aber wenn Ihr Zeitreisender weiß, wie alles oben genannte funktioniert, besteht eine vernünftige Chance, dass er weiß, was ein magnetischer Verstärker ist, und dass es viel einfacher ist, als eine Vakuumröhre von Grund auf neu zu bauen. Dies ist im Grunde ein ausgefallener Transformator, der absichtlich so konzipiert ist, dass er an einem bestimmten Punkt gesättigt ist und dann eine stark reduzierte Reaktion hat. Ohne zu sehr darauf einzugehen, wenn er rechnen kann und Kupfer und einen Isolator hat, kann er dies tun, und der Elektromagnet sollte selbst starten UND nicht verbrennen.

Also, tausende Stunden zermürbendes Material aufsummiert, Veredelung und Werkzeugbau später, wenn er nicht verhungert ist oder eine Überraschungsparty mit ein paar Velociraptoren gefeiert hat, hat er jetzt einen eigentlich wohl ziemlich anständigen Generatorkopf.

Der Motor soll nur etwa zehnmal so lange brauchen. Vielleicht ein Fahrrad bauen.

Bearbeiten: Ich gehe davon aus, dass dies abgelehnt wurde, da die Frage versucht, das Problem der Berichtigung zu vermeiden. Zur Verdeutlichung: In dem Fall, in dem Permanentmagnete nicht verfügbar sind, ist das Vermeiden einer Gleichrichtung keine Option . Ein Permanentmagnet behält die gleiche Polarität, wenn er um den Anker herumgeht, aber wenn Sie dies mit dem rohen, nicht gleichgerichteten Ausgang eines handgefertigten Generators versuchen, dreht sich die Polarität des Elektromagneten um, während er sich bewegt, und Sie erhalten keinen Ausgang.

Überblick

A: Sehr schwer! Aber nicht unmöglich...

Sie können einen Magneten verwenden, um Strom zu erzeugen, und Sie können Strom verwenden, um einen Magneten herzustellen, aber Sie brauchen immer einen, um den anderen herzustellen! Offensichtlich kommt ein Elektromagnet nicht in Frage, da Strom die Ressource ist, die Sie zu erhalten versuchen. Und wir waren uns einig, dass natürlich vorkommende Magnete sehr schwer zu bekommen sind. Sie müssen also versuchen, einen Permanentmagneten von Grund auf neu zu erstellen.

Verfahren

Wenn Sie über grundlegende Metallurgie verfügen, können Sie einen Eisenstab erhitzen und einem Magnetfeld aussetzen. Sie können auch das Erdmagnetfeld verwenden, da es "kostenlos" ist, aber es hilft auch, wenn Sie überhaupt einen anderen Magneten haben, einschließlich eines schwachen Magneten (oder irgendwelche Magnete in Ihrem Laptop! wie den in Mac-Netzsteckern ;). Mit ausreichender Übung sollte es möglich sein, einen stärkeren Magneten herzustellen, als Sie begonnen haben (die Hitze befreit die magnetischen Domänen, um neu ausgerichtet zu werden, und jedes induzierte Magnetfeld wird sie statistisch gesehen in die gleiche Richtung ausrichten). Sie können auch die Schlagkraft eines Hammers verwenden, um die Domänen zu lösen, aber dies ist wahrscheinlich viel weniger effektiv als direktes Erhitzen.

Kühlen Sie den beheizten Stab ab, und die neuen Domänen werden an Ort und Stelle "eingefroren". Sie haben jetzt einen neuen Dauermagneten. Holen Sie sich eine andere Rute, machen Sie dasselbe, aber verwenden Sie jetzt Ihren stärkeren neu geschaffenen Magneten, um ein stärkeres Magnetfeld in der neuen Rute zu induzieren, und Sie sollten in der Lage sein, einen Magneten so stark zu machen, wie es diese Technologie zulässt. Die Grenze wäre, wie viele magnetische Domänen Sie im Erwärmungsprozess freisetzen und wie viele Sie mit dem induzierten Magnetfeld ausrichten können. Je mehr Magnete Sie haben, desto stärkeres Feld können Sie in jedem neu erzeugten Magneten induzieren.

Fazit

Selbst ohne Permanentmagneten können Sie einen mit nur Eisen und einem Feuer erzeugen, das heiß genug ist, um die magnetischen Domänen darin zu befreien. Das liegt daran, dass wir auf einem riesigen Dynamo leben, der praktischerweise ein lebensrettendes Magnetfeld liefert. Ohne sie müssten Sie den Prozess mit einem Elektromagneten booten, was mit statischer Elektrizität möglich wäre, aber sicherlich sehr mühsam zu konstruieren wäre.

Ein einfacher Generator ist relativ einfach zu bauen.
https://www.wikihow.com/Make-a-Simple-Electric-Generator
Je niedriger die Ausgangsspannung, desto einfacher könnte es gemacht werden.

Der allererste Generator, der Faraday-Scheibengenerator, wurde 1831 (von Michael Faraday) mit einer Bewegung ähnlich der eines Spinnrads hergestellt und nutzte sogar einen Teil des erzeugten Stroms, um den Magneten anzutreiben.

Die Einfachheit machte es ineffizient, aber es reichte aus, um einen jungen Nikola Tesla zu engagieren, der an seinem Design arbeitete, bevor er einen viel leistungsfähigeren Generator auf Trommelbasis entwickelte.

Um mit der Stromerzeugung zu beginnen, benötigen Sie entweder ziemlich starke Magnete (die unmöglich zu lokalisieren wären) oder genug Strom, um zunächst einen Elektromagneten mit Strom zu versorgen. Interessanterweise könnte es leicht möglich sein, aus leicht gekochten Kartoffeln genügend Gleichstrom zu extrahieren, um die Dinge in Gang zu bringen.
https://www.smithsonianmag.com/innovation/a-potato-battery-can-light-up-a-room-for-over-a-month-180948260/

Solange Ihr Reisender in einer Zeit gelandet ist, in der Werkzeug- und Kupferhandwerker üblich waren, ist dies möglicherweise möglich. Die frühen Ägypter waren eine der jüngsten Zivilisationen, von denen bekannt ist, dass sie Kupferschmuck herstellten, also wäre dies wahrscheinlich die früheste, plausibelste Zeitperiode.

Die eigentliche Frage ist ...
Welche Notwendigkeit besteht, einen ineffizienten Generator herzustellen, wenn die einfache Verwendung von Kartoffeln potenziell effizienter sein könnte?

Sie können so lange als Generator bauen, wie Sie können, oder isolierten Metalldraht (vorzugsweise Kupfer) herstellen, also können Sie, wie Sie sich vorstellen können, ziemlich weit zurückgehen! Das Problem ist jedoch, dass Generatoren Wechselstrom erzeugen, während Geräte wie Ihr Mobiltelefon Gleichstrom benötigen. AC-DC-Transformatoren benötigen mindestens Kondensatoren und Dioden (und Spannungsregler, wenn Sie eine stabile Spannung wünschen).

Ich denke, Sie könnten Kondensatoren und Dioden herstellen, wenn Sie das erforderliche Wissen hätten, aber ich vermute, dass sie unzuverlässig, ineffizient und sperrig wären. Am besten nehmen Sie die mitgebrachten Teile aus der Technik mit. Ein Handy-Ladegerät enthält beispielsweise einen AC-DC-Transformator (abgesehen vom AC-AC-Abwärtstransformator).

Echte Hochleistungsgeneratoren verwenden nicht nur Magnete. Die wirklich starken (wie die in Kraftwerken) verwenden stattdessen Elektromagnete, weil es viel einfacher ist, ein starkes Magnetfeld aus einem Elektromagneten herauszuholen, als genügend Seltenerdmagnete zu bekommen, um den Trick zu machen.

Natürlich ist dies ein Henne-und-Ei-Moment. Die echten Generatoren haben tatsächlich kleinere Magnete, die gerade genug Strom erzeugen können, um die stärkeren Elektromagnete in Betrieb zu nehmen. Von da an helfen die Magnete ein wenig, aber das meiste Magnetfeld wird von den Elektromagneten erzeugt.

Es ist möglich, den Generator zu bauen, wenn es möglich ist, den etwas isolierten Draht jeglicher Art herzustellen, und es möglich ist, seinen mechanischen Teil (rotierenden Rotor) herzustellen.

Um den Rotor herum ist ein Magnetfeld erforderlich. Wir könnten Elektromagnete dafür verwenden, aber zumindest kleine Permanentmagnete würden das Starten des Generators erleichtern (oder sogar nur möglich machen).

Der Generator benötigt den Gleichrichter nicht, da ein einfacher mechanischer Gleichrichter direkt auf der Achse des Generators montiert werden kann.

Um schließlich Pulsationen loszuwerden, sollte es möglich sein, mehr als einen Generator zu bauen und parallel zu schalten. Die gemittelte Ausgabe sollte glatter sein.

Wenn Sie in die Vergangenheit reisen und eine Stromquelle zum Aufladen Ihres Geräts benötigen, bringen Sie einfach einen Dynamo mit (vorsichtshalber ein halbes Dutzend). Sie können den Kopf drehen und erhalten einen konstanten Stromfluss an den Anschlüssen.

Lassen Sie sich nicht in den Schlamassel des Baus von Wechselstromgeneratoren in der Vergangenheit verwickeln. Es wird sich als äußerst schwierig erweisen, wenn nicht gar als unmöglich. Rohe Technologie wäre mit Metallurgie und allem verfügbar, aber die Präzision der Teile, die für einen zuverlässigen Wechselstromgenerator erforderlich sind, ist etwas, von dem Sie kaum erwarten können, es zu bauen.