Unipolárny generátor je elektrický mechanizmus s jednosmerným prúdom obsahujúci elektricky vodivý kotúč alebo valec otáčajúci sa v rovine. Má potenciály rôznej sily medzi stredom disku a okrajom (alebo koncami valca) s elektrickou polaritou, ktorá závisí od smeru rotácie a orientácie poľa.
Je známy aj ako unipolárny Faradayov oscilátor. Napätie je zvyčajne nízke, rádovo niekoľko voltov v prípade malých demonštračných modelov, ale veľké výskumné stroje môžu generovať stovky voltov a niektoré systémy majú viacero sériových oscilátorov pre ešte vyššie napätia. Sú nezvyčajné v tom, že dokážu generovať elektrický prúd, ktorý je schopný presiahnuť milión ampérov, keďže unipolárny generátor nemusí mať nevyhnutne vysoký vnútorný odpor.
Príbeh vynálezu
Prvý homopolárny mechanizmus vyvinul Michael Faraday počas svojich experimentov v roku 1831. Často je označovaný ako Faradayov disk alebo koleso po ňom. To bol začiatok moderných dynamstroje, teda elektrické generátory pracujúce na magnetickom poli. Bol veľmi neefektívny a nepoužíval sa ako praktický zdroj energie, ale ukázal možnosť výroby elektriny pomocou magnetizmu a pripravil cestu pre spínané jednosmerné dynamá a potom alternátory.
Nevýhody prvého generátora
Faradayov disk bol primárne neefektívny kvôli prichádzajúcim tokom prúdu. Princíp činnosti unipolárneho generátora bude opísaný len na jeho príklade. Zatiaľ čo tok prúdu bol indukovaný priamo pod magnetom, prúd cirkuloval v opačnom smere. Spätný tok obmedzuje výstupný výkon pre prijímacie vodiče a spôsobuje zbytočné zahrievanie medeného disku. Neskoršie homopolárne generátory mohli tento problém vyriešiť pomocou sady magnetov umiestnených po obvode disku, aby sa udržalo konštantné pole po obvode a eliminovali oblasti, kde by mohlo dôjsť k spätnému toku.
Ďalší vývoj
Krátko po tom, čo bol pôvodný Faradayov disk zdiskreditovaný ako praktický generátor, bola vyvinutá jeho upravená verzia kombinujúca magnet a disk v jednej rotačnej časti (rotor), ale práve na to bola vyhradená samotná myšlienka nárazového unipolárneho generátora. konfigurácia. Jeden z prvých patentov na generické unipolárne mechanizmy získal A. F. Delafield, patent USA 278 516.
Výskum výnimočných myslí
Ďalšie unipolárne patenty so skorým dopadomgenerátory získali samostatne S. Z. De Ferranti a S. Batchelor. Nikola Tesla sa zaujímal o Faradayov disk a pracoval s homopolárnymi mechanizmami a nakoniec si nechal patentovať vylepšenú verziu zariadenia v americkom patente 406 968.
Patent "Dynamo Electric Machine" od spoločnosti Tesla (unipolárny generátor Tesla) popisuje usporiadanie dvoch paralelných diskov so samostatnými paralelnými hriadeľmi, ktoré sú ako kladky spojené kovovým pásom. Každý kotúč mal pole oproti druhému, takže prúd prechádzal z jedného hriadeľa na okraj kotúča, cez pás na druhý okraj a do druhého hriadeľa. To by výrazne znížilo trecie straty spôsobené klznými kontaktmi, čo by umožnilo obom elektrickým snímačom interagovať s hriadeľmi dvoch diskov a nie s hriadeľom a vysokorýchlostným ráfikom.
Neskôr patenty získali S. P. Steinmetz a E. Thomson za prácu na vysokonapäťových unipolárnych generátoroch. Forbes Dynamo, ktoré navrhol škótsky elektroinžinier George Forbes, bolo široko používané na začiatku 20. storočia. Väčšinu vývoja v oblasti homopolárnych mechanizmov patentoval J. E. Noeggerath a R. Eickemeyer.
50s
Homopolárne generátory zažili renesanciu v 50. rokoch 20. storočia ako zdroj pulzného ukladania energie. Tieto zariadenia využívali ťažké disky ako formu zotrvačníka na ukladanie mechanickej energie, ktorú bolo možné rýchlo vložiť do experimentálneho zariadenia.
Prvý príklad tohto druhu zariadenia vytvoril Sir Mark Oliphant na Research SchoolFyzikálne vedy a inžinierstvo z Austrálskej národnej univerzity. Uchovával až 500 megajoulov energie a používal sa ako zdroj ultravysokého prúdu pre synchrotrónové experimenty od roku 1962 až do jeho demontáže v roku 1986. Dizajn Oliphantu bol schopný dodávať prúdy až do 2 megaampérov (MA).
Vyvinuté spoločnosťou Parker Kinetic Designs
Ešte väčšie zariadenia, ako je toto, navrhuje a vyrába spoločnosť Parker Kinetic Designs (predtým OIME Research & Development) v Austine. Vyrábali zariadenia na rôzne účely, od pohonu železničných pištolí až po lineárne motory (na vesmírne štarty) a rôzne konštrukcie zbraní. Bolo predstavených 10 priemyselných vzorov MJ pre rôzne úlohy vrátane elektrického zvárania.
Tieto zariadenia pozostávali z vodivého zotrvačníka, z ktorého jeden sa otáčal v magnetickom poli s jedným elektrickým kontaktom blízko osi a druhým blízko okraja. Používali sa na generovanie veľmi vysokých prúdov pri nízkom napätí v oblastiach ako zváranie, elektrolýza a výskum railgun. V aplikáciách s pulznou energiou sa moment hybnosti rotora používa na dlhodobé uchovávanie energie a jej následné uvoľnenie v krátkom čase.
Na rozdiel od iných typov komutovaných unipolárnych generátorov výstupné napätie nikdy neobráti polaritu. Oddelenie nábojov je výsledkom pôsobenia Lorentzovej sily na voľné náboje v disku. Pohyb je azimutálny a pole je axiálne, takžeelektromotorická sila je radiálna.
Elektrické kontakty sa zvyčajne vyrábajú cez "kefu" alebo zberací krúžok, čo vedie k vysokým stratám pri nízkom generovanom napätí. Niektoré z týchto strát možno znížiť použitím ortuti alebo iného ľahko skvapalneného kovu alebo zliatiny (gálium, NaK) ako „kefy“na zabezpečenie takmer nepretržitého elektrického kontaktu.
Úprava
Nedávno navrhovanou modifikáciou bolo použitie plazmového kontaktu vybaveného neónovým streamerom s negatívnym odporom dotýkajúcim sa okraja disku alebo bubna pomocou špeciálneho uhlíka s nízkou pracovnou funkciou vo zvislých pruhoch. To by malo výhodu veľmi nízkeho odporu v aktuálnom rozsahu, možno až tisícov ampérov, bez kontaktu s tekutým kovom.
Ak je magnetické pole vytvárané permanentným magnetom, generátor funguje bez ohľadu na to, či je magnet pripevnený k statoru alebo sa otáča s diskom. Pred objavením elektrónu a Lorentzovho zákona sily bol tento jav nevysvetliteľný a bol známy ako Faradayov paradox.
Typ bubna
Homopolárny generátor bubnového typu má magnetické pole (V), ktoré vyžaruje radiálne zo stredu bubna a indukuje napätie (V) po celej jeho dĺžke. Vodivý bubon otáčajúci sa zhora v oblasti magnetu typu „reproduktor“s jedným pólom v strede a druhým okolo neho, môže používať vodivé guľôčkové ložiská na svojom vrchu aspodné časti na zachytenie generovaného prúdu.
V prírode
Unipolárne induktory sa nachádzajú v astrofyzike, kde sa vodič otáča cez magnetické pole, napríklad keď sa vysoko vodivá plazma v ionosfére vesmírneho telesa pohybuje cez jeho magnetické pole.
Unipolárne induktory sú spájané s uránskou polárnou žiarou, dvojhviezdami, čiernymi dierami, galaxiami, Jupiterovým mesiacom Io, Mesiacom, slnečným vetrom, slnečnými škvrnami a Venušským magnetickým chvostom.
Funkcie mechanizmu
Podobne ako všetky vyššie spomenuté vesmírne objekty, aj Faradayov disk premieňa kinetickú energiu na elektrickú energiu. Tento stroj možno analyzovať pomocou Faradayovho vlastného zákona elektromagnetickej indukcie.
Tento zákon vo svojej modernej podobe uvádza, že konštantná derivácia magnetického toku cez uzavretý obvod v ňom indukuje elektromotorickú silu, ktorá následne vybudí elektrický prúd.
Povrchový integrál, ktorý definuje magnetický tok, možno prepísať ako lineárny okolo obvodu. Hoci integrand čiarového integrálu nezávisí od času, keďže sa Faradayov disk, ktorý je súčasťou hranice čiarového integrálu, pohybuje, derivácia celkového času nie je nulová a vracia správnu hodnotu pre výpočet elektromotorickej sily. Alternatívne je možné kotúč zredukovať na vodivý krúžok po jeho obvode s jediným kovovým lúčom spájajúcim krúžok s osou.
Zapaľovač Lorentzovho zákona o silepoužiť na vysvetlenie správania stroja. Tento zákon, sformulovaný tridsať rokov po Faradayovej smrti, uvádza, že sila pôsobiaca na elektrón je úmerná krížovému súčinu jeho rýchlosti a vektoru magnetického toku.
Z geometrického hľadiska to znamená, že sila smeruje v pravom uhle k rýchlosti (azimutu) aj magnetickému toku (axiálnemu), ktorý je teda v radiálnom smere. Radiálny pohyb elektrónov v disku spôsobuje oddelenie nábojov medzi jeho stredom a okrajom a ak je obvod dokončený, generuje sa elektrický prúd.
Elektrický motor
Unipolárny motor je jednosmerné zariadenie s dvoma magnetickými pólmi, ktorých vodiče vždy pretínajú jednosmerné magnetické toky a otáčajú vodič okolo pevnej osi tak, aby bol kolmý na statické magnetické pole. Výsledná EMF (elektromotorická sila), ktorá je spojitá v jednom smere, k homopolárnemu motoru nevyžaduje komutátor, ale stále vyžaduje zberacie krúžky. Názov „homopolárny“znamená, že elektrická polarita vodiča a póly magnetického poľa sa nemenia (to znamená, že nevyžaduje prepínanie).
Unipolárny motor bol prvým vyrobeným elektromotorom. Jeho pôsobenie demonštroval Michael Faraday v roku 1821 v Royal Institution v Londýne.
Vynález
V roku 1821, krátko potom, čo dánsky fyzik a chemik Hans Christian Oersted objavilfenoménu elektromagnetizmu sa Humphry Davy a britský vedec William Hyde Wollaston pokúsili vyvinúť elektrický motor, no nepodarilo sa im to. Faraday, ktorý Humphrey ako vtip spochybňoval, pokračoval vo vytvorení dvoch zariadení na vytvorenie toho, čo nazval „elektromagnetická rotácia“. Jeden z nich, teraz známy ako homopolárny pohon, vytvoril súvislý kruhový pohyb. Spôsobila to kruhová magnetická sila okolo drôtu umiestneného v kaluži ortuti, v ktorej bol magnet umiestnený. Drôt by sa točil okolo magnetu, ak by bol napájaný chemickou batériou.
Tieto experimenty a vynálezy tvorili základ moderných elektromagnetických technológií. Faraday čoskoro zverejnil výsledky. Toto narušilo vzťahy s Davym kvôli jeho žiarlivosti na Faradayove úspechy a spôsobilo to, že sa Faraday začal venovať iným veciam, čo mu v dôsledku toho znemožnilo zúčastniť sa na elektromagnetickom výskume na niekoľko rokov.
B. G. Lamm opísal v roku 1912 homopolárny stroj s výkonom 2000 kW, 260 V, 7700 A a 1200 ot./min so 16 zbernými krúžkami pracujúcimi s obvodovou rýchlosťou 67 m/s. Unipolárny generátor s výkonom 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 ot./min. vyrobený v roku 1934 bol inštalovaný v americkej oceliarni na zváranie rúr.
Rovnaký Lorentzov zákon
Fungovanie tohto motora je podobné ako pri rázovom unipolárnom generátore. Unipolárny motor je poháňaný Lorentzovou silou. Vodič, ktorým preteká prúd, keď je umiestnený v magnetickom poli a kolmo naň, cíti silu vsmer kolmý na magnetické pole aj na prúd. Táto sila poskytuje otáčavý moment okolo osi otáčania.
Vzhľadom na to, že magnetické pole je rovnobežné s magnetickým poľom a protiľahlé magnetické polia nemenia polaritu, nie je potrebné prepínanie, aby ste mohli pokračovať v otáčaní vodiča. Túto jednoduchosť možno najľahšie dosiahnuť pri jednootáčkových konštrukciách, vďaka čomu sú homopolárne motory nevhodné pre väčšinu praktických aplikácií.
Ako väčšina elektromechanických strojov (ako Neggerathov unipolárny generátor) je homopolárny motor reverzibilný: ak sa vodič mechanicky pootočí, bude fungovať ako homopolárny generátor a vytvorí jednosmerné napätie medzi dvoma svorkami vodiča.
Konštantný prúd je dôsledkom homopolárnej povahy dizajnu. Homopolárne generátory (HPG) boli rozsiahlo skúmané koncom 20. storočia ako zdroje nízkeho napätia, ale veľmi vysokého prúdu jednosmerného prúdu a dosiahli určitý úspech pri napájaní experimentálnych koľajových zbraní.
Building
Vyrobenie unipolárneho generátora vlastnými rukami je celkom jednoduché. Unipolárny motor sa tiež veľmi jednoducho montuje. Permanentný magnet sa používa na vytvorenie vonkajšieho magnetického poľa, v ktorom sa bude vodič otáčať a batéria spôsobí tok prúdu pozdĺž vodivého drôtu.
Nie je potrebné, aby sa magnet pohyboval alebo dokonca prišiel do kontaktu so zvyškom motora; jeho jediným účelom je vytvoriť magnetické pole, ktoré budeinteragujú s podobným poľom indukovaným prúdom v drôte. Na batériu je možné pripevniť magnet a nechať vodič voľne sa otáčať, keď je elektrický obvod dokončený, dotýkajúc sa hornej časti batérie aj magnetu pripevneného k spodnej časti batérie. Kábel a batéria sa môžu počas nepretržitého používania zahriať.
