Unipolarni generator je enosmerni električni mehanizem, ki vsebuje električno prevodni disk ali valj, ki se vrti v ravnini. Ima potenciale različnih moči med središčem diska in robom (ali konci cilindra) z električno polarnostjo, ki je odvisna od smeri vrtenja in orientacije polja.
Poznan je tudi kot unipolarni Faradayev oscilator. Napetost je običajno nizka, v primeru majhnih demonstracijskih modelov je približno nekaj voltov, vendar lahko veliki raziskovalni stroji ustvarijo na stotine voltov, nekateri sistemi pa imajo več serijskih oscilatorjev za še višje napetosti. Nenavadni so, ker lahko ustvarijo električni tok, ki lahko preseže milijon amperov, saj ni nujno, da ima unipolarni generator visok notranji upor.
zgodba o izumu
Prvi homopolarni mehanizem je razvil Michael Faraday med svojimi poskusi leta 1831. Po njem se pogosto imenuje Faradayev disk ali kolo. To je bil začetek sodobnih dinamovstroji, torej električni generatorji, ki delujejo na magnetno polje. Bil je zelo neučinkovit in se ni uporabljal kot praktičen vir energije, vendar je pokazal možnost pridobivanja električne energije z uporabo magnetizma in utrl pot preklopnim dinamom DC in nato alternatorjem.
Slabosti prvega generatorja
Faradayev disk je bil predvsem neučinkovit zaradi prihajajočih tokov. Načelo delovanja unipolarnega generatorja bo opisano samo na njegovem primeru. Medtem ko je bil tok induciran neposredno pod magnetom, je tok krožil v nasprotni smeri. Povratni tok omejuje izhodno moč za sprejemne žice in povzroča nepotrebno segrevanje bakrenega diska. Kasnejši homopolarni generatorji bi lahko rešili to težavo z nizom magnetov, nameščenih po obodu diska, da bi ohranili konstantno polje po obodu in odpravili področja, kjer bi lahko prišlo do povratnega toka.
Nadaljnji razvoj
Kmalu po tem, ko je bil originalni Faradayev disk diskreditiran kot praktičen generator, je bila razvita modificirana različica, ki združuje magnet in disk v enem vrtljivem delu (rotorju), vendar je bila sama ideja udarnega unipolarnega generatorja rezervirana za to konfiguracijo. Enega najzgodnejših patentov za generične unipolarne mehanizme je pridobil A. F. Delafield, patent ZDA 278,516.
Raziskave izjemnih umov
Drugi zgodnji unipolarni patentigeneratorja sta bila ločeno podeljena S. Z. De Ferranti in S. Batchelor. Nikola Tesla se je zanimal za Faradayev disk in je delal s homopolarnimi mehanizmi in na koncu patentiral izboljšano različico naprave v patentu ZDA 406.968.
Teslin patent "Dynamo Electric Machine" (Teslin unipolarni generator) opisuje razporeditev dveh vzporednih diskov z ločenimi vzporednimi gredi, ki sta, kot jermenice, povezana s kovinskim jermenom. Vsak disk je imel polje nasproti drugemu, tako da je tok prehajal od ene gredi do roba diska, skozi pas do drugega roba in do druge gredi. To bi močno zmanjšalo izgube zaradi trenja, ki jih povzročajo drsni kontakti, kar bi omogočilo interakcijo obeh električnih senzorjev z gredi obeh diskov in ne z gredjo in visokohitrostnim platiščem.
Poznejša patenta sta bila podeljena S. P. Steinmetzu in E. Thomsonu za njihovo delo na visokonapetostnih unipolarnih generatorjih. Forbesov Dynamo, ki ga je zasnoval škotski inženir elektrotehnike George Forbes, je bil široko uporabljen v začetku 20. stoletja. Večino razvoja homopolarnih mehanizmov je patentiral J. E. Noeggerath in R. Eickemeyer.
50s
Homopolarni generatorji so v petdesetih letih prejšnjega stoletja doživeli renesanso kot vir impulznega shranjevanja energije. Te naprave so uporabljale težke diske kot obliko vztrajnika za shranjevanje mehanske energije, ki bi jo lahko hitro odvrgli v eksperimentalno napravo.
Zgodnji primer tovrstne naprave je ustvaril Sir Mark Oliphant na raziskovalni šoliFizikalne znanosti in inženirstvo z Avstralske nacionalne univerze. Shranil je do 500 megadžulov energije in je bil uporabljen kot vir ultra visokega toka za sinhrotronske poskuse od leta 1962 do razstavljanja leta 1986. Oliphantova zasnova je bila sposobna oddajati tokove do 2 megaampera (MA).
Razvil Parker Kinetic Designs
Še večje naprave, kot je ta, je zasnoval in izdelal Parker Kinetic Designs (prej OIME Research & Development) iz Austina. Proizvajali so naprave za različne namene, od pogona železniških pištol do linearnih motorjev (za izstrelitve v vesolje) in različnih oblik orožja. Predstavljenih je bilo 10 industrijskih modelov MJ za različne vloge, vključno z električnim varjenjem.
Te naprave so bile sestavljene iz prevodnega vztrajnika, od katerih se je eden vrtel v magnetnem polju z enim električnim kontaktom blizu osi in drugim blizu oboda. Uporabljali so jih za ustvarjanje zelo visokih tokov pri nizkih napetostih na področjih, kot so varjenje, elektroliza in raziskave na tirnicah. Pri aplikacijah impulzne energije se kotni moment rotorja uporablja za shranjevanje energije za daljše obdobje in jo nato sprosti v kratkem času.
Za razliko od drugih vrst komutiranih unipolarnih generatorjev izhodna napetost nikoli ne obrne polarnosti. Ločitev nabojev je posledica delovanja Lorentzove sile na proste naboje v disku. Gibanje je azimutalno, polje pa aksialno, torejelektromotorna sila je radialna.
Električni kontakti so običajno narejeni s pomočjo "krtače" ali drsnega obroča, kar ima za posledico velike izgube pri nizkih ustvarjenih napetostih. Nekatere od teh izgub je mogoče zmanjšati z uporabo živega srebra ali druge zlahka utekočinjene kovine ali zlitine (galij, NaK) kot "ščetke", ki zagotavljajo skoraj neprekinjen električni stik..
Sprememba
Nedavna predlagana sprememba je bila uporaba plazemskega kontakta, opremljenega z neonskim trakom z negativnim uporom, ki se dotika roba diska ali bobna z uporabo specializiranega ogljika z nizko delovno funkcijo v navpičnih črtah. To bi imelo prednost zelo nizke odpornosti v trenutnem območju, morda do tisoč amperov, brez stika s tekočo kovino.
Če magnetno polje ustvarja trajni magnet, generator deluje ne glede na to, ali je magnet pritrjen na stator ali se vrti skupaj z diskom. Pred odkritjem elektrona in Lorentzovega zakona sile je bil ta pojav nerazložljiv in znan kot Faradayev paradoks.
Tip bobna
Homopolarni generator bobnastega tipa ima magnetno polje (V), ki seva radialno iz središča bobna in inducira napetost (V) vzdolž celotne dolžine. Prevodni boben, ki se vrti od zgoraj v območju magneta tipa "zvočnik" z enim polom v sredini in drugim, ki ga obkroža, lahko uporablja prevodne kroglične ležaje na vrhu inspodnji deli za zajemanje ustvarjenega toka.
V naravi
Unipolarne induktorje najdemo v astrofiziki, kjer se prevodnik vrti skozi magnetno polje, na primer, ko se visoko prevodna plazma v ionosferi vesoljskega telesa premika skozi njegovo magnetno polje.
Unipolarni induktorji so bili povezani z uransko auroro, binarnimi zvezdami, črnimi luknjami, galaksijami, Jupitrovo luno Io, Luno, sončnim vetrom, sončnimi pegami in venerskim magnetnim repom.
Funkcije mehanizma
Tako kot vsi zgoraj omenjeni vesoljski objekti tudi Faradayev disk pretvarja kinetično energijo v električno energijo. Ta stroj je mogoče analizirati z uporabo Faradayevega lastnega zakona elektromagnetne indukcije.
Ta zakon v svoji sodobni obliki pravi, da konstantna derivat magnetnega toka skozi zaprt krog inducira v njem elektromotorno silo, ki posledično vzbudi električni tok.
Površinski integral, ki definira magnetni tok, lahko prepišemo kot linearni okoli vezja. Čeprav integrand linijskega integrala ni odvisen od časa, ker se Faradayev disk, ki je del meje linijskega integrala, premika, izvod skupnega časa ni nič in vrne pravilno vrednost za izračun elektromotorne sile. Druga možnost je, da se disk zmanjša na prevodni obroč po svojem obodu z enojno kovinsko napero, ki povezuje obroč z osjo.
Lorentzov vžigalnikuporabiti za razlago obnašanja stroja. Ta zakon, oblikovan trideset let po Faradayjevi smrti, pravi, da je sila na elektron sorazmerna z navzkrižnim produktom njegove hitrosti in vektorja magnetnega pretoka.
V geometričnem smislu to pomeni, da je sila usmerjena pravokotno tako na hitrost (azimut) kot na magnetni tok (aksialno), ki je torej v radialni smeri. Radialno gibanje elektronov v disku povzroči ločitev nabojev med njegovim središčem in robom, in če je vezje končano, nastane električni tok.
električni motor
Unipolarni motor je enosmerna naprava z dvema magnetnima poloma, katerih vodniki vedno prečkajo enosmerne črte magnetnega toka, pri čemer se vodnik vrti okoli fiksne osi, tako da je pravokoten na statično magnetno polje. Nastala EMF (elektromotorna sila), ki je neprekinjena v eni smeri, za homopolarni motor ne potrebuje komutatorja, vendar še vedno zahteva drsne obroče. Ime "homopolar" pomeni, da se električna polarnost prevodnika in pola magnetnega polja ne spreminjata (to je, da ne zahteva preklapljanja).
Unipolarni motor je bil prvi električni motor, ki je bil izdelan. Njegovo delovanje je demonstriral Michael Faraday leta 1821 na Kraljevi instituciji v Londonu.
Izum
Leta 1821, kmalu po tem, ko je danski fizik in kemik Hans Christian Oersted odkrilfenomen elektromagnetizma, sta Humphry Davy in britanski znanstvenik William Hyde Wollaston poskušala, a ni uspela, razviti električni motor. Faraday, ki ga Humphrey v šali oporeka, je nato ustvaril dve napravi za ustvarjanje tega, kar je imenoval "elektromagnetno vrtenje". Eden od njih, zdaj znan kot homopolarni pogon, je ustvaril neprekinjeno krožno gibanje. Povzročila ga je krožna magnetna sila okoli žice, nameščene v bazenu živega srebra, v katerem je bil magnet. Žica bi se vrtela okoli magneta, če bi jo napajala kemična baterija.
Ti poskusi in izumi so bili osnova sodobnih elektromagnetnih tehnologij. Kmalu je Faraday objavil rezultate. To je zaostrilo odnose z Davyjem zaradi njegovega ljubosumja na Faradayjeve dosežke in povzročilo, da se je ta zatekel k drugim stvarem, kar mu je posledično nekaj let preprečilo sodelovanje pri elektromagnetnih raziskavah.
B. G. Lamm je leta 1912 opisal homopolarni stroj z močjo 2000 kW, 260 V, 7700 A in 1200 vrt/min s 16 drsnimi obroči, ki delujejo pri obodni hitrosti 67 m/s. Unipolarni generator 1125 kW, 7,5 V, 150.000 A, 514 vrt/min, zgrajen leta 1934, je bil nameščen v ameriški jeklarni za varjenje cevi.
Isti Lorentzov zakon
Delovanje tega motorja je podobno delovanju udarnega unipolarnega generatorja. Unipolarni motor poganja Lorentzova sila. Prevodnik s tokom, ki teče skozi njega, ko je postavljen v magnetno polje in pravokotno nanj, čuti silo vsmer pravokotna tako na magnetno polje kot na tok. Ta sila zagotavlja obračalni moment okoli osi vrtenja.
Ker je slednje vzporedno z magnetnim poljem in nasprotna magnetna polja ne spreminjajo polarnosti, za nadaljevanje vrtenja prevodnika preklapljanje ni potrebno. To preprostost je najlažje doseči z zasnovo z enim obratom, zaradi česar so homopolarni motorji neprimerni za večino praktičnih aplikacij.
Kot večina elektromehanskih strojev (kot je Neggerathov unipolarni generator) je tudi homopolarni motor reverzibilen: če je prevodnik mehansko obrnjen, bo deloval kot homopolarni generator in ustvaril enosmerno napetost med obema priključkoma prevodnika.
Konstantni tok je posledica homopolarne narave zasnove. Homopolarni generatorji (HPG) so bili obširno raziskani v poznem 20. stoletju kot viri nizke napetosti, vendar zelo visokega toka enosmernega toka, in dosegli nekaj uspeha pri napajanju eksperimentalnih pušk.
zgradba
Izdelava unipolarnega generatorja z lastnimi rokami je precej preprosta. Unipolarni motor je tudi zelo enostaven za montažo. Trajni magnet se uporablja za ustvarjanje zunanjega magnetnega polja, v katerem se bo vodnik vrtel, baterija pa povzroči, da tok teče vzdolž prevodne žice.
Ni nujno, da se magnet premika ali celo pride v stik z ostalim motorjem; njegov edini namen je ustvariti magnetno polje, ki bomedsebojno delujejo s podobnim poljem, ki ga povzroča tok v žici. Na baterijo je mogoče pritrditi magnet in omogočiti, da se vodnik prosto vrti, ko je električni tokokrog končan, pri čemer se dotika zgornjega dela baterije in magneta, pritrjenega na dno baterije. Žica in baterija se lahko med neprekinjeno uporabo segrejeta.
