Generator jednobiegunowy to mechanizm elektryczny prądu stałego zawierający przewodzący prąd elektryczny dysk lub cylinder obracający się w płaszczyźnie. Posiada potencjały o różnej mocy pomiędzy środkiem tarczy a obrzeżem (lub końcami walca) z biegunowością elektryczną, która zależy od kierunku obrotu i orientacji pola.
Znany jest również jako jednobiegunowy oscylator Faradaya. Napięcie jest zwykle niskie, rzędu kilku woltów w przypadku małych modeli demonstracyjnych, ale duże maszyny badawcze mogą generować setki woltów, a niektóre systemy mają oscylatory o wielu szeregach dla jeszcze wyższych napięć. Są niezwykłe, ponieważ mogą generować prąd elektryczny, który może przekroczyć milion amperów, ponieważ jednobiegunowy generator niekoniecznie ma wysoką rezystancję wewnętrzną.
Historia wynalazku
Pierwszy mechanizm homopolarny został opracowany przez Michaela Faradaya podczas jego eksperymentów w 1831 roku. Jest często określany jako tarcza Faradaya lub koło po nim. To był początek nowoczesnych dynamosmaszyny, czyli generatory elektryczne działające w polu magnetycznym. Był bardzo nieefektywny i nie był używany jako praktyczne źródło zasilania, ale wykazywał możliwość generowania energii elektrycznej za pomocą magnetyzmu i utorował drogę dla przełączanych prądnic prądu stałego, a następnie alternatorów.
Wady pierwszego generatora
Dysk Faradaya był przede wszystkim nieefektywny z powodu nadchodzących przepływów prądu. Zasada działania generatora jednobiegunowego zostanie opisana na jego przykładzie. Podczas gdy przepływ prądu był indukowany bezpośrednio pod magnesem, prąd krążył w przeciwnym kierunku. Przepływ wsteczny ogranicza moc wyjściową przewodów odbiorczych i powoduje niepotrzebne nagrzewanie się miedzianego dysku. Późniejsze generatory homopolarne mogły rozwiązać ten problem za pomocą zestawu magnesów umieszczonych na obwodzie dysku, aby utrzymać stałe pole na obwodzie i wyeliminować obszary, w których mógłby wystąpić przepływ wsteczny.
Dalsze zmiany
Wkrótce po tym, jak oryginalny dysk Faradaya został zdyskredytowany jako praktyczny generator, opracowano zmodyfikowaną wersję, łączącą magnes i dysk w jednej obracającej się części (wirniku), ale sama idea udarowego jednobiegunowego generatora została do tego zarezerwowana konfiguracja. Jeden z najwcześniejszych patentów na generyczne mechanizmy jednobiegunowe został uzyskany przez A. F. Delafielda, patent USA 278,516.
Badania wybitnych umysłów
Inne patenty jednobiegunowe na wczesnym etapiegeneratory zostały przyznane oddzielnie S. Z. De Ferranti i S. Batchelor. Nikola Tesla był zainteresowany dyskiem Faradaya i pracował z mechanizmami homopolarnymi i ostatecznie opatentował ulepszoną wersję urządzenia w patencie USA 406,968.
Patent Tesli „Dynamo Electric Machine” (jednobiegunowy generator Tesli) opisuje układ dwóch równoległych dysków z oddzielnymi równoległymi wałami połączonymi, jak koła pasowe, metalowym pasem. Każdy dysk miał pole przeciwne do drugiego, tak że przepływ prądu przechodził z jednego wału do krawędzi dysku, przez pas do drugiej krawędzi i do drugiego wału. To znacznie zmniejszyłoby straty tarcia powodowane przez styki ślizgowe, umożliwiając obu czujnikom elektrycznym interakcję z wałkami dwóch tarcz, a nie z wałem i obręczą o dużej prędkości.
Później patenty przyznano S. P. Steinmetzowi i E. Thomsonowi za prace nad jednobiegunowymi generatorami wysokiego napięcia. Forbes Dynamo, zaprojektowany przez szkockiego inżyniera elektryka George'a Forbesa, był szeroko stosowany na początku XX wieku. Większość zmian dokonanych w mechanizmach homopolarnych została opatentowana przez J. E. Noeggerath i R. Eickemeyer.
50s
Generatory homopolarne przeżyły renesans w latach pięćdziesiątych jako źródło pulsacyjnego magazynowania energii. Urządzenia te wykorzystywały ciężkie dyski jako formę koła zamachowego do przechowywania energii mechanicznej, która mogła być szybko zrzucona do aparatury eksperymentalnej.
Wczesny przykład tego rodzaju urządzenia został stworzony przez Sir Marka Oliphanta ze Szkoły BadawczejNauki fizyczne i inżynieria z Australian National University. Przechowywał do 500 megadżuli energii i był używany jako źródło ultrawysokiego prądu w eksperymentach synchrotronowych od 1962 roku do momentu jego demontażu w 1986 roku. Konstrukcja Oliphant była w stanie dostarczać prądy do 2 megaamperów (MA).
Opracowany przez Parker Kinetic Designs
Jeszcze większe urządzenia, takie jak to, są projektowane i budowane przez Parker Kinetic Designs (dawniej OIME Research & Development) z Austin. Wytwarzali urządzenia do różnych celów, od zasilania pistoletów kolejowych po silniki liniowe (do startów w kosmos) i różne konstrukcje broni. Wprowadzono wzory przemysłowe 10 MJ do różnych ról, w tym do spawania elektrycznego.
Te urządzenia składały się z przewodzącego koła zamachowego, z których jedno obracało się w polu magnetycznym z jednym stykiem elektrycznym w pobliżu osi, a drugim w pobliżu obwodu. Wykorzystywano je do generowania bardzo wysokich prądów przy niskich napięciach w dziedzinach takich jak spawanie, elektroliza i badania dział szynowych. W zastosowaniach wykorzystujących energię impulsową, moment pędu wirnika jest używany do przechowywania energii przez długi czas, a następnie uwalniania jej w krótkim czasie.
W przeciwieństwie do innych typów komutowanych generatorów jednobiegunowych, napięcie wyjściowe nigdy nie zmienia polaryzacji. Separacja ładunków jest wynikiem działania siły Lorentza na wolne ładunki w dysku. Ruch jest azymutalny, a pole jest osiowe, więcsiła elektromotoryczna jest promieniowa.
Styki elektryczne są zwykle wykonywane za pomocą „szczotki” lub pierścienia ślizgowego, co powoduje wysokie straty przy wytwarzanych niskich napięciach. Niektóre z tych strat można zmniejszyć, używając rtęci lub innego łatwo upłynniającego się metalu lub stopu (galu, NaK) jako „szczotki”, aby zapewnić prawie ciągły kontakt elektryczny.
Modyfikacja
Ostatnio proponowana modyfikacja polega na użyciu styku plazmowego wyposażonego w neonowy opór ujemny, dotykający krawędzi tarczy lub bębna przy użyciu wyspecjalizowanego węgla o niskiej funkcyjności roboczej w pionowych paskach. Miałoby to zaletę w postaci bardzo niskiej rezystancji w zakresie prądu, prawdopodobnie do tysięcy amperów, bez kontaktu z ciekłym metalem.
Jeśli pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes trwały, generator działa niezależnie od tego, czy magnes jest przymocowany do stojana, czy obraca się wraz z dyskiem. Przed odkryciem elektronu i prawa siły Lorentza zjawisko to było niewytłumaczalne i znane było jako paradoks Faradaya.
Typ bębna
Generator homopolarny typu bębnowego posiada pole magnetyczne (V), które promieniuje promieniowo ze środka bębna i indukuje napięcie (V) na całej jego długości. Przewodzący bęben obracający się od góry w rejonie magnesu typu „głośnik” z jednym biegunem pośrodku i otaczającym go drugim, może wykorzystywać przewodzące łożyska kulkowe w górnej części idolne części do przechwytywania generowanego prądu.
W naturze
Induktory jednobiegunowe można znaleźć w astrofizyce, gdzie przewodnik obraca się w polu magnetycznym, na przykład, gdy wysoce przewodząca plazma w jonosferze ciała kosmicznego porusza się przez jego pole magnetyczne.
Jednobiegunowe cewki indukcyjne są powiązane z zorzą Urana, gwiazdami podwójnymi, czarnymi dziurami, galaktykami, księżycem Jowisza Io, Księżycem, wiatrem słonecznym, plamami słonecznymi i ogonem magnetycznym Wenus.
Cechy mechanizmu
Podobnie jak wszystkie wyżej wymienione obiekty kosmiczne, dysk Faradaya zamienia energię kinetyczną na energię elektryczną. Ta maszyna może być analizowana przy użyciu własnego prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.
To prawo w swojej nowoczesnej formie stwierdza, że stała pochodna strumienia magnetycznego w obwodzie zamkniętym indukuje w nim siłę elektromotoryczną, która z kolei wzbudza prąd elektryczny.
Całka powierzchniowa, która definiuje strumień magnetyczny, może zostać przepisana jako liniowa wokół obwodu. Chociaż całka całki krzywoliniowej nie zależy od czasu, ponieważ dysk Faradaya, który jest częścią granicy całki krzywoliniowej, porusza się, pochodna całkowitego czasu nie jest równa zeru i zwraca prawidłową wartość do obliczenia siły elektromotorycznej. Alternatywnie, tarczę można zredukować do przewodzącego pierścienia na jego obwodzie z pojedynczą metalową szprychą łączącą pierścień z osią.
Prawo siły Lorentza lżejszesłużyć do wyjaśnienia zachowania maszyny. Prawo to, sformułowane trzydzieści lat po śmierci Faradaya, mówi, że siła działająca na elektron jest proporcjonalna do iloczynu krzyżowego jego prędkości i wektora strumienia magnetycznego.
W kategoriach geometrycznych oznacza to, że siła jest skierowana pod kątem prostym zarówno do prędkości (azymut), jak i strumienia magnetycznego (osiowy), który jest zatem skierowany w kierunku promieniowym. Promieniowy ruch elektronów w dysku powoduje oddzielenie ładunków pomiędzy jego środkiem a obrzeżem, a po zamknięciu obwodu generowany jest prąd elektryczny.
Silnik elektryczny
Silnik jednobiegunowy to urządzenie prądu stałego z dwoma biegunami magnetycznymi, których przewodniki zawsze przecinają jednokierunkowe linie strumienia magnetycznego, obracając przewodnik wokół stałej osi, tak aby znajdował się pod kątem prostym do statycznego pola magnetycznego. Powstająca siła elektromotoryczna (EMF), która jest ciągła w jednym kierunku, do silnika homopolarnego nie wymaga komutatora, ale nadal wymaga pierścieni ślizgowych. Nazwa "homopolarna" wskazuje, że polaryzacja elektryczna przewodnika i bieguny pola magnetycznego nie ulegają zmianie (to znaczy, że nie wymaga ono przełączania).
Silnik jednobiegunowy był pierwszym skonstruowanym silnikiem elektrycznym. Jego działanie zademonstrował Michael Faraday w 1821 roku w Royal Institution w Londynie.
Wynalazek
W 1821 r., krótko po odkryciu duńskiego fizyka i chemika Hansa Christiana Oerstedazjawiska elektromagnetyzmu, Humphry Davy i brytyjski naukowiec William Hyde Wollaston próbowali, ale nie udało im się opracować silnika elektrycznego. Faraday, kwestionowany przez Humphreya jako żart, stworzył dwa urządzenia, które stworzyły coś, co nazwał „obrotem elektromagnetycznym”. Jeden z nich, obecnie znany jako napęd homopolarny, wytworzył ciągły ruch okrężny. Było to spowodowane kołową siłą magnetyczną wokół drutu umieszczonego w kałuży rtęci, w której znajdował się magnes. Drut obracałby się wokół magnesu, gdyby był zasilany baterią chemiczną.
Te eksperymenty i wynalazki stanowiły podstawę nowoczesnych technologii elektromagnetycznych. Wkrótce Faraday opublikował wyniki. To napięło stosunki z Davym z powodu jego zazdrości o osiągnięcia Faradaya i spowodowało, że ten ostatni zwrócił się ku innym rzeczom, co w rezultacie uniemożliwiło mu udział w badaniach elektromagnetycznych przez kilka lat.
B. G. Lamm opisał w 1912 maszynę homopolarną o mocy 2000 kW, 260 V, 7700 A i 1200 obr./min z 16 pierścieniami ślizgowymi pracującymi z prędkością obwodową 67 m/s. Jednobiegunowy generator 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 obr./min, zbudowany w 1934 r., został zainstalowany w amerykańskiej hucie do spawania rur.
To samo prawo Lorentza
Działanie tego silnika jest podobne do działania jednobiegunowego generatora uderzeniowego. Silnik jednobiegunowy napędzany jest siłą Lorentza. Przewodnik, przez który przepływa prąd, umieszczony w polu magnetycznym i prostopadle do niego, odczuwa siłę wkierunek prostopadły zarówno do pola magnetycznego, jak i prądu. Siła ta zapewnia moment obrotowy wokół osi obrotu.
Ponieważ to ostatnie jest równoległe do pola magnetycznego, a przeciwstawne pola magnetyczne nie zmieniają polaryzacji, przełączanie nie jest wymagane, aby kontynuować obracanie przewodnika. Tę prostotę najłatwiej osiągnąć w konstrukcjach jednoobrotowych, co sprawia, że silniki homopolarne nie nadają się do większości praktycznych zastosowań.
Podobnie jak większość maszyn elektromechanicznych (takich jak jednobiegunowy generator Neggeratha), silnik homopolarny jest odwracalny: jeśli przewodnik zostanie obrócony mechanicznie, będzie działał jako generator homopolarny, wytwarzając napięcie prądu stałego między dwoma zaciskami przewodnika.
Stały prąd jest konsekwencją jednobiegunowej natury projektu. Generatory homopolarne (HPG) były szeroko badane pod koniec XX wieku jako źródła niskiego napięcia, ale bardzo wysokiego prądu stałego i osiągnęły pewien sukces w zasilaniu eksperymentalnych działek szynowych.
Budynek
Wykonanie jednobiegunowego generatora własnymi rękami jest dość proste. Silnik jednobiegunowy jest również bardzo łatwy w montażu. Magnes trwały służy do wytworzenia zewnętrznego pola magnetycznego, w którym przewodnik będzie się obracał, a bateria powoduje przepływ prądu wzdłuż przewodu przewodzącego.
Nie jest konieczne, aby magnes się poruszał ani nawet wchodził w kontakt z resztą silnika; jego jedynym celem jest wytworzenie pola magnetycznego, które będzieoddziaływać z podobnym polem indukowanym przez prąd w przewodzie. Możliwe jest przymocowanie magnesu do baterii i umożliwienie swobodnemu obracaniu się przewodnika po zakończeniu obwodu elektrycznego, dotykając zarówno górnej części baterii, jak i magnesu przymocowanego do dolnej części baterii. Przewód i bateria mogą się nagrzewać podczas ciągłego użytkowania.
