Unipolarni generator: naprava, zgodovina ustvarjanja, uporaba

Unipolarni generator je električni DC mehanizem, ki vsebuje prevodni disk ali valj, ki se vrti v ravnini. Med močjo diskovnega središča in roba (ali koncev jeklenke) je možna električna polarnost, ki je odvisna od smeri vrtenja in usmeritve polja.

Znan je tudi kot unipolarni Faradayjev generator. Napetost je navadno majhna, v primeru nekaj demo modelov, nekaj velikih napetosti, vendar lahko veliki testni stroji proizvedejo stotine voltov, nekateri sistemi pa imajo več serijskih generatorjev za še večjo napetost. Nenavadne so v tem, da lahko proizvedejo električni tok, ki lahko preseže milijon amperov, saj unipolarni generator nima nujno visokega notranjega upora.


Zgodovina izuma

Prvi homopolarni mehanizem je razvil Michael Faraday med svojimi poskusi leta 1831. V njegovo čast je pogosto imenovan kot kolo ali kolo Faradaya. To je bil začetek modernih dinamo strojev, to je električnih generatorjev, ki delujejo na magnetnem polju. Bila je zelo neučinkovita in ni bila uporabljena kot praktičen vir energije, ampak je pokazala možnost proizvodnje električne energije s pomočjo magnetizma in utrla pot do preklopnih virov dinamo-enosmernega toka in nato na alternatorje.

Slabosti prvega generatorja

Faradayev disk je bil prviNeučinkovit zaradi protitočnega toka. Načelo unipolarnega generatorja bomo opisali le v njegovem primeru. Medtem ko je tok toka sprožil neposredno pod magnetom, je bil tok krožil v nasprotni smeri. Upornost omejuje izhodno moč sprejemnih žic in povzroča nepotrebno segrevanje bakrenega diska. Kasnejši homopolarni generatorji bi lahko rešili ta problem z nizom magnetov, ki se nahajajo po obodu diska, da bi ohranili konstantno polje v krogu in odpravili območja, na katerih bi lahko prišlo do nasprotovanja.


Nadaljnji razvoj

Kmalu zatem, ko je bila Faradayova originalna plošča diskreditirana kot praktični generator, je bila razvita spremenjena različica magneta in diska v eni rotorski enoti (rotorju), vendar Sama zamisel o unipolarnem generatorju je bila rezervirana za to konfiguracijo. Eden od prvih patentov za unipolarne mehanizme splošnega tipa je dobil A.F. Delafield, U.S. patent št. 278516.

Raziskave odprtih umov

Drugi zgodnji patenti o unipolarnih generatorjih so bili dodeljeni S.Z.De Ferrante in S. Batchelor ločeno. Nicola Tesla se je zanimal za Faradayev disk in delal na homopolarnih mehanizmih, kasneje pa je patentiral izboljšano različico naprave v patentu ZDA 406968. Teslin patent "Dynamo Electric Machine" (unipolarni Tesla generator) opisuje lokacijo dveh vzporednih diskov z ločenimi vzporednimi gredi kot škripci, kovinski prehod. Vsak disk je imel polje, nasprotnodrugi tako, da tok toka prehaja iz ene gredi do roba diska skozi trak do drugega roba in do druge gredi. To bi znatno zmanjšalo izgubo zaradi trenja zaradi drsnih kontaktov, kar bi omogočilo interakciji obeh električnih senzorjev z gredi dveh diskov, ne pa z gredjo in platiščem za visoke hitrosti.
Kasneje so bili patenti podeljeni S. Steinmetzu in E. Thomsonu za njihovo delo z unipolarnimi generatorji visoke napetosti. Dynamo Forbes, ki ga je razvil škotski električni inženir George Forbes, se je v začetku dvajsetega stoletja pogosto uporabljal. Večino razvoja homopolarnih mehanizmov so patentirali J. E. Noeggerath in R. Eickemeyer.

50. let

Homopolarni generatorji so preživeli renesanco v petdesetih letih kot vir impulznega skladiščenja energije. Te naprave so uporabljale težke diske kot vztrajnik za varčevanje z mehansko energijo, ki bi jo lahko hitro vrgli v eksperimentalno vozilo. Zgodnji primer te vrste pripomočka je ustvaril Sir Mark Olifant na Fakulteti za fiziko in inženirstvo na avstralski nacionalni univerzi. Shranil je do 500 megajoulov energije in se je od leta 1962 uporabljal kot visokonapetostni vir za sinhrotronske poskuse, dokler ni bil razstavljen. Zasnova Olyphante je lahko dala tokove do 2 megaampov (MA).

Parker Kinetic Designs

Podobne naprave so še bolj zasnovane in izdelane s strani podjetja Parker Kinetic Designs (prej OIME Research & Development) iz Austina. Soizdelane naprave za različne namene: od dobave železniških pištol do linearnih motorjev za lansiranje v vesolje) in različnih modelov orožja. Za različne vloge, vključno z električnim varjenjem, so bili uvedeni industrijski modeli za 10 MJ-jev.
Te naprave so sestavljale vodilni vztrajnik, od katerih se eden vrti v magnetnem polju z enim električnim kontaktom okoli osi, drugi pa v bližini oboda. Uporabljali so jih za ustvarjanje zelo visokih tokov pri nizkih napetostih na področjih, kot so varjenje, elektroliza in raziskave železniških pištol. Pri aplikacijah z impulzno energijo se kotni moment rotorja uporablja za akumulacijo energije za dolgo obdobje, nato pa za sprostitev v kratkem času. Za razliko od drugih tipov enopolnih generatorjev s stikalom, se izhodna napetost nikoli ne spremeni. Delitev nabojev je posledica učinka Lorentzove sile na proste naboje v disku. Gibanje je azimutalno in polje je aksialno, zato je elektromotorna sila radialna. Električni kontakti se običajno izvajajo s pomočjo "krtače" ali kontaktnega obroča, kar pri velikih nizkih napetostih povzroča velike izgube. Nekatere od teh izgub se lahko zmanjšajo z uporabo živega srebra ali druge preprosto utekočinjene kovine ali zlitine (Galium, NaK) kot "krtačo", ki zagotavlja praktično stalen električni stik.

Sprememba

Pred kratkim predlagana sprememba je bila uporaba plazemskega kontakta, ki ga zagotavlja neonska striptizeta z negativnim uporom proti robu.disk ali boben, z uporabo specialnega ogljika z nizkim izhodnim delom v navpičnih pasovih. To bi imelo prednost zelo nizkega upora v trenutnem območju, po možnosti do tisoč amperov brez stika s tekočo kovino. Če magnetno polje nastane s trajnim magnetom, generator deluje neodvisno od tega, ali je magnet pritrjen na stator ali se vrti z diskom. Pred odkritjem elektrona in zakona Lorentza je bil ta pojav nejasen in je bil znan kot paradoks Faradaya.

"tip bobna"

Homopolarni bobnasti generator ima magnetno polje, ki se radialno odseva od središča bobna in povzroča napetost (V) po vsej svoji dolžini. Vodilni boben, ki se vrti od zgoraj v območju magneta tipa zvočnika, z enim polom v sredini in drugim obdaja ga, lahko uporablja vodilne kroglične ležaje v svojih zgornjih in spodnjih delih za zajemanje ustvarjenega toka.

V naravi

so v astrofiziki najdeni unipolarni induktorji, kjer se vodnik zavrti skozi magnetno polje, na primer pri vožnji visoko prevodne plazme v ionosferi kozmičnega telesa skozi njeno magnetno polje. Unipolarni induktorji so bili povezani z bleščanjem v Uranu, dvojnih zvezdah, črnih luknjah, galaksijah, Jupitrovih Io, Luni, Sončnih vetrovih, sončnih pegah in magnetnih repih Venere.

Značilnosti mehanizma

Tako kot vsi prej omenjeni vesoljski objekti, Faradayov pogon pretvarja kinetično energijo v električno. Ta stroj lahko analizirate zz uporabo ustreznega zakona elektromagnetne indukcije Faradaya. Ta zakon v svoji sodobni obliki navaja, da konstantni derivat magnetnega toka skozi zaprti krog v njem inducira elektromotorno silo, ki pa vzbuja električni tok. Površinski integral, ki določa magnetni tok, je mogoče ponovno napisati kot krog okoli kroga. Čeprav integrand integrala linije ni odvisen od časa, ker se Faradayev pogon, ki je del meje linearnega integral, premakne, derivat polnega časa ni enak nič in vrne pravilno vrednost za izračun elektromotorne sile. Alternativno se lahko disk zmanjša na prevodni obroč po njegovem obodu s pomočjo enega kovinskega koluta, ki povezuje obroč z osjo. Zakon Lorentzeve sile je lažje uporabiti za razlago obnašanja stroja. Ta zakon, oblikovan trideset let po Faradayovi smrti, navaja, da je sila na elektron proporcionalna navzkrižnemu produktu njegove hitrosti in vektorja magnetnega toka. V geometrijskih izrazih to pomeni, da je sila usmerjena pravokotno na hitrost (azimutal) in na magnetni tok (osno), ki je torej v radialni smeri. Radialno gibanje elektronov v disku povzroči delitev nabojev med njegovim središčem in robom, če pa je to vezje zaprto, pride do električnega toka.

Elektromotor

Enopolni elektromotor je enosmerna enota z dvema magnetnima poloma, katerih vodniki vedno prečkajo enosmerne linije magnetnega toka, ki se vrtiokoli stacionarne osi, tako da je pod pravim kotom glede na statično magnetno polje. Nastali EMF (elektromotorna sila), ki je neprekinjen v eni smeri, ne zahteva komutatorja za homopolarni motor, vendar še vedno zahteva kontaktne obroče. Ime "homopolar" pomeni, da se električna polarnost vodnika in polov magnetnega polja ne spreminja (to pomeni, da ne zahteva preklopa). Enopolni motor je bil prvi električni motor, ki je bil zgrajen. Njegovo delo je pokazal Michael Faraday leta 1821 na Kraljevem inštitutu v Londonu.
Leta 1821, kmalu po tem, ko je danski fizik in kemik Hans Christian Oersted odkril pojav elektromagnetizma, sta Humphrey Dewey in britanski znanstvenik William Hyde Wollaston poskusila, vendar nista mogla razviti električnega motorja. Faraday, na katerega se je pritožil Humphrey kot šalo, je še naprej ustvarjal dve napravi za tako imenovano "elektromagnetno rotacijo". Eden od njih, zdaj znan kot homopolarni motor, je ustvaril neprekinjen krožni gib. Vzrok je bila krožna magnetna sila okoli žice, ki je bila položena v živo srebro, v kateri je bil nameščen magnet. Žice bi se vrtele okoli magneta, če bi bil opremljen s tokom iz kemičnega akumulatorja. Ti poskusi in izumi so bili osnova sodobnih elektromagnetnih tehnologij. Faraday je kmalu objavil rezultate. To je poglobilo odnos z Devo zaradi njegove ljubosumnosti pred dosežki Faradaya in je postalo razlog, da so se slednji ukvarjali z drugimi zadevami vrezultat več let je preprečil njegovo sodelovanje v elektromagnetnih študijah. B. R. Lamm je leta 1912 opisal homopolarni stroj z močjo 2000 kW, 260 V, 7700 A in 1200 rpm s 16 kontaktnimi obroči, ki delujejo ob obodni hitrosti 67 m /s. Enolarni generator z močjo 1125 kW, 75150000 A, 514 vrt /min, zgrajen leta 1934, je bil nameščen na ameriški jekleni cevi za varjenje.

Isti zakon Lorentza

Delovanje tega motorja je podobno načelu unipolarnega generatorja. Enopolni motor poganja Lorentzova sila. Vodnik s tokom, ki teče skozi njega, ko je postavljen v magnetno polje in pravokotno na to, zaznava moč v smeri, pravokotni na magnetno polje in tok. Ta sila zagotavlja vrtilni moment okoli osi vrtenja. Ker je slednje vzporedno z magnetnim poljem in nasprotna magnetna polja ne spreminjajo polarnosti, preklapljanje ni potrebno za nadaljevanje vrtenja vodnika. To preprostost je najbolje doseči z enojnim struženjem, zaradi česar so homopolarni motorji neprimerni za večino praktičnih aplikacij.
Kot večina elektromehanskih strojev (vzorec ne generiranega generatorja Negerata) je homopolarni motor inverzen: če se prevodnik vrne mehansko, bo deloval kot homopolarni generator, ki ustvarja enosmerno napetost med dvema vodoma vodnika. DC je posledica homopolarne narave modela. Homopolarni generatorji (HPG) so bili temeljito preizkušenipreiskali konec 20. stoletja kot nizkonapetostni enosmerni viri, vendar z zelo visokim tokom in dosegli nekaj uspeha pri hranjenju eksperimentalnih pištol za stojalo.

Struktura

Izdelava unipolarnega generatorja z lastnimi rokami je dovolj preprosta. Enopolni motor je tudi zelo enostaven za montažo. Stalni magnet se uporablja za ustvarjanje zunanjega magnetnega polja, v katerem se bo vodnik vrtel, in akumulator povzroča, da tok teče vzdolž prevodnih žic. Magnet ni potreben za premikanje ali enakomeren stik z drugim delom motorja; njen edini namen je ustvariti magnetno polje, ki bo vplivalo na podobno polje, ki ga povzroča tok v žici. Magnet lahko pritrdite na baterijo in pustite, da se vodnik pri zapiranju električnega tokokroga prosto vrti, tako da se dotika zgornjega dela baterije in magneta, pritrjenega na spodnji del. Žice in baterija se lahko med neprekinjenim delovanjem segrejejo.

Sorodne publikacije