Un generator unipolar este un mecanism electric de curent continuu care conține un disc sau un cilindru conductiv electric care se rotește într-un plan. Are potențiale de putere diferită între centrul discului și janta (sau capetele cilindrului) cu polaritate electrică, care depinde de direcția de rotație și de orientarea câmpului.
Este cunoscut și sub numele de oscilator Faraday unipolar. Tensiunea este de obicei scăzută, de ordinul câțiva volți în cazul modelelor demonstrative mici, dar mașinile mari de cercetare pot genera sute de volți, iar unele sisteme au oscilatoare în serie multiple pentru tensiuni și mai mari. Sunt neobișnuite prin faptul că pot genera un curent electric capabil să depășească un milion de amperi, deoarece un generator unipolar nu are neapărat o rezistență internă mare.
Poveste de invenție
Primul mecanism homopolar a fost dezvoltat de Michael Faraday în timpul experimentelor sale din 1831. Este adesea menționat ca un disc Faraday sau o roată după el. Acesta a fost începutul dinamurilor modernemașini, adică generatoare electrice care funcționează pe câmp magnetic. A fost foarte ineficient și nu a fost folosit ca sursă practică de energie, dar a arătat posibilitatea de a genera electricitate folosind magnetism și a deschis calea pentru dinamuri de curent continuu comutate și apoi pentru alternatoare.
Dezavantajele primului generator
Discul lui Faraday a fost în primul rând ineficient din cauza fluxurilor de curent care se apropie. Principiul de funcționare al unui generator unipolar va fi descris doar prin exemplul său. În timp ce fluxul de curent a fost indus direct sub magnet, curentul a circulat în direcția opusă. Refluxul limitează puterea de ieșire pentru firele de recepție și provoacă încălzirea inutilă a discului de cupru. Generatoarele homopolare ulterioare ar putea rezolva această problemă cu un set de magneți plasați în jurul perimetrului discului pentru a menține un câmp constant în jurul circumferinței și pentru a elimina zonele în care ar putea apărea reflux.
Dezvoltări ulterioare
La scurt timp după ce discul original Faraday a fost discreditat ca generator practic, a fost dezvoltată o versiune modificată care combină magnetul și discul într-o singură parte rotativă (rotor), dar însăși ideea unui generator unipolar de impact a fost rezervată pentru aceasta. configurație. Unul dintre cele mai vechi brevete pentru mecanismele unipolare generice a fost obținut de A. F. Delafield, brevetul S. U. A. 278.516.
Cercetarea minților remarcabile
Alte brevete unipolare cu impact timpuriugeneratoarele au fost adjudecate separat S. Z. De Ferranti si S. Batchelor. Nikola Tesla a fost interesat de discul Faraday și a lucrat cu mecanisme homopolare și, în cele din urmă, a brevetat o versiune îmbunătățită a dispozitivului în brevetul american 406.968.
Pavetul „Dynamo Electric Machine” de la Tesla (generatorul unipolar Tesla) descrie un aranjament de două discuri paralele cu arbori paraleli separați conectați, ca scripete, printr-o curea metalică. Fiecare disc avea un câmp opus celuil alt, astfel încât fluxul de curent trecea de la un arbore la marginea discului, prin centură la ceal altă margine și la al doilea arbore. Acest lucru ar reduce foarte mult pierderile prin frecare cauzate de contactele de alunecare, permițând ambilor senzori electrici să interacționeze cu arborii celor două discuri, mai degrabă decât cu arborele și janta de mare viteză.
Bretetele ulterioare au fost acordate lui S. P. Steinmetz și E. Thomson pentru munca lor asupra generatoarelor unipolare de în altă tensiune. Dinamo-ul Forbes, proiectat de inginerul electric scoțian George Forbes, a fost utilizat pe scară largă la începutul secolului al XX-lea. Majoritatea dezvoltărilor făcute în mecanismele homopolare au fost brevetate de J. E. Noeggerath și R. Eickemeyer.
50
Generatoarele homopolare au cunoscut o renaștere în anii 1950 ca sursă de stocare a energiei în impulsuri. Aceste dispozitive foloseau discuri grele ca formă de volantă pentru a stoca energia mecanică care putea fi aruncată rapid în aparatul experimental.
Un exemplu timpuriu al acestui tip de dispozitiv a fost creat de Sir Mark Oliphant la Școala de CercetareȘtiințe fizice și inginerie de la Universitatea Națională Australiană. A stocat până la 500 de megajouli de energie și a fost folosit ca sursă de curent ultra-în alt pentru experimente cu sincrotron din 1962 până când a fost demontat în 1986. Designul lui Oliphant a fost capabil să furnizeze curenți de până la 2 megaamperi (MA).
Dezvoltat de Parker Kinetic Designs
Chiar și dispozitivele mai mari ca acesta sunt proiectate și construite de Parker Kinetic Designs (fostă OIME Research & Development) din Austin. Ei au produs dispozitive pentru o varietate de scopuri, de la alimentarea pistoalelor de cale ferată la motoare liniare (pentru lansări în spațiu) și diferite modele de arme. Au fost introduse 10 modele industriale MJ pentru diferite roluri, inclusiv sudarea electrică.
Aceste dispozitive constau dintr-un volant conductor, dintre care unul se rotește într-un câmp magnetic cu un contact electric în apropierea axei și celăl alt în apropierea periferiei. Ele au fost folosite pentru a genera curenți foarte mari la tensiuni joase în domenii precum sudarea, electroliza și cercetarea cu gunoaie. În aplicațiile cu energie pulsată, momentul unghiular al rotorului este folosit pentru a stoca energie pentru o perioadă lungă de timp și apoi o eliberează într-un timp scurt.
Spre deosebire de alte tipuri de generatoare unipolare comutate, tensiunea de ieșire nu inversează niciodată polaritatea. Separarea sarcinilor este rezultatul acțiunii forței Lorentz asupra sarcinilor libere din disc. Mișcarea este azimutală și câmpul este axial, deciforța electromotoare este radială.
Contactele electrice sunt de obicei realizate printr-o „perie” sau inel colector, rezultând pierderi mari la tensiunile joase generate. Unele dintre aceste pierderi pot fi reduse prin utilizarea mercurului sau a altui metal sau aliaj ușor de lichefiat (galiu, NaK) ca „perie” pentru a asigura un contact electric aproape continuu.
Modificare
O modificare propusă recent a fost aceea de a folosi un contact cu plasmă prevăzut cu un streamer de neon cu rezistență negativă care atinge marginea discului sau a tamburului folosind carbon specializat cu funcție de lucru redusă în dungi verticale. Acest lucru ar avea avantajul unei rezistențe foarte scăzute în intervalul de curent, eventual până la mii de amperi, fără contact cu metalul lichid.
Dacă câmpul magnetic este creat de un magnet permanent, generatorul funcționează indiferent dacă magnetul este atașat la stator sau se rotește cu discul. Înainte de descoperirea electronului și a legii forței lui Lorentz, acest fenomen era inexplicabil și era cunoscut sub numele de paradoxul lui Faraday.
„Tipul de tobe”
Un generator homopolar de tip tambur are un câmp magnetic (V) care radiază radial din centrul tamburului și induce o tensiune (V) pe toată lungimea sa. Un tambur conductor care se rotește de sus în regiunea unui magnet de tip „difuzor”, cu un pol în centru și celăl alt înconjurător, poate folosi rulmenți conductivi cu bile în partea superioară șipărțile inferioare pentru a capta curentul generat.
În natură
Inductorii unipolari se găsesc în astrofizică, unde conductorul se rotește printr-un câmp magnetic, de exemplu, atunci când o plasmă foarte conductivă din ionosfera unui corp spațial se mișcă prin câmpul său magnetic.
Inductorii unipolari au fost asociați cu aurora uraniană, stelele binare, găurile negre, galaxiile, luna lui Jupiter Io, Luna, vântul solar, petele solare și coada magnetică venusiană.
Funcțiile mecanismului
La fel ca toate obiectele spațiale menționate mai sus, discul Faraday convertește energia cinetică în energie electrică. Această mașină poate fi analizată folosind legea inducției electromagnetice a lui Faraday.
Această lege în forma sa modernă afirmă că derivata constantă a fluxului magnetic printr-un circuit închis induce o forță electromotoare în el, care la rândul ei excită un curent electric.
Integrala de suprafață care definește fluxul magnetic poate fi rescrisă ca una liniară în jurul circuitului. Deși integrandul integralei de linie nu depinde de timp, deoarece discul Faraday care face parte din granița integralei de linie se mișcă, derivata timpului total nu este zero și returnează valoarea corectă pentru calcularea forței electromotoare. Alternativ, discul poate fi redus la un inel conductiv în jurul circumferinței sale, cu o singură spiță metalică care conectează inelul de ax.
Brichetă cu legea forței Lorentzpoate fi folosit pentru a explica comportamentul mașinii. Această lege, formulată la treizeci de ani după moartea lui Faraday, afirmă că forța asupra unui electron este proporțională cu produsul încrucișat al vitezei sale și al vectorului fluxului magnetic.
În termeni geometrici, aceasta înseamnă că forța este direcționată în unghi drept atât la viteză (azimut) cât și la fluxul magnetic (axial), care este prin urmare în direcția radială. Mișcarea radială a electronilor în disc determină o separare a sarcinilor între centrul și marginea acestuia, iar dacă circuitul este finalizat, se generează un curent electric.
Motor electric
Un motor unipolar este un dispozitiv de curent continuu cu doi poli magnetici, ai cărui conductori traversează întotdeauna linii de flux magnetic unidirecțional, rotind conductorul în jurul unei axe fixe, astfel încât acesta să fie în unghi drept cu câmpul magnetic static. EMF (forța electromotoare) rezultată, care este continuă într-o direcție, la un motor homopolar nu necesită un comutator, dar necesită totuși inele colectoare. Denumirea „homopolar” indică faptul că polaritatea electrică a conductorului și polii câmpului magnetic nu se modifică (adică nu necesită comutare).
Motorul unipolar a fost primul motor electric care a fost construit. Acțiunea sa a fost demonstrată de Michael Faraday în 1821 la Royal Institution din Londra.
Invenție
În 1821, la scurt timp după ce fizicianul și chimistul danez Hans Christian Oersted a descoperitfenomen al electromagnetismului, Humphry Davy și savantul britanic William Hyde Wollaston au încercat, dar nu au reușit, să dezvolte un motor electric. Faraday, contestat ca o glumă de către Humphrey, a creat două dispozitive pentru a crea ceea ce el a numit „rotație electromagnetică”. Una dintre ele, cunoscută acum sub numele de motor homopolar, a creat o mișcare circulară continuă. A fost cauzată de o forță magnetică circulară în jurul unui fir plasat într-un bazin de mercur în care a fost plasat magnetul. Firul s-ar învârti în jurul magnetului dacă ar fi alimentat de o baterie chimică.
Aceste experimente și invenții au stat la baza tehnologiilor electromagnetice moderne. Curând, Faraday a publicat rezultatele. Acest lucru a tensionat relațiile cu Davy din cauza geloziei sale față de realizările lui Faraday și l-a determinat pe acesta din urmă să se îndrepte către alte lucruri, ceea ce, ca urmare, l-a împiedicat să participe câțiva ani la cercetările electromagnetice.
B. G. Lamm a descris în 1912 o mașină homopolară cu o putere de 2000 kW, 260 V, 7700 A și 1200 rpm cu 16 inele colectoare care funcționează la o viteză periferică de 67 m/s. Un generator unipolar de 1125 kW, 7,5 V, 150.000 A, 514 rpm, construit în 1934, a fost instalat într-o fabrică de oțel americană pentru sudarea țevilor.
Aceeași lege Lorentz
Funcționarea acestui motor este similară cu cea a unui generator unipolar de șoc. Motorul unipolar este antrenat de forța Lorentz. Un conductor prin care trece un curent, atunci când este plasat într-un câmp magnetic și perpendicular pe acesta, simte o forță îndirecție perpendiculară atât pe câmpul magnetic cât și pe curent. Această forță oferă un moment de rotire în jurul axei de rotație.
Deoarece acesta din urmă este paralel cu câmpul magnetic, iar câmpurile magnetice opuse nu schimbă polaritatea, nu este necesară comutarea pentru a continua rotirea conductorului. Această simplitate se realizează cel mai ușor cu modelele cu o singură tură, ceea ce face ca motoarele homopolare să nu fie potrivite pentru majoritatea aplicațiilor practice.
La fel ca majoritatea mașinilor electromecanice (cum ar fi generatorul unipolar al lui Neggerath), motorul homopolar este reversibil: dacă conductorul este rotit mecanic, acesta va funcționa ca un generator homopolar, creând o tensiune de curent continuu între cele două borne ale conductorului.
Curentul constant este o consecință a naturii homopolare a designului. Generatoarele homopolare (HPG) au fost explorate pe larg la sfârșitul secolului al XX-lea ca surse de curent continuu de joasă tensiune, dar curent foarte mare și au obținut un oarecare succes în alimentarea pistoalelor experimentale cu șine.
Clădire
Facerea unui generator unipolar cu propriile mâini este destul de simplă. Motorul unipolar este, de asemenea, foarte ușor de asamblat. Magnetul permanent este folosit pentru a crea un câmp magnetic extern în care conductorul se va roti, iar bateria face ca curentul să circule de-a lungul firului conductor.
Nu este necesar ca magnetul să se miște sau chiar să intre în contact cu restul motorului; singurul său scop este de a crea un câmp magnetic care vainteracționează cu un câmp similar indus de curentul din fir. Este posibil să atașați un magnet la o baterie și să permiteți conductorului să se rotească liber pe măsură ce circuitul electric este finalizat, atingând atât partea superioară a bateriei, cât și magnetul atașat la partea inferioară a bateriei. Cablul și bateria se pot încălzi în timpul utilizării continue.
