Unipolarni generator je električni mehanizam istosmjerne struje koji sadrži električno vodljivi disk ili cilindar koji se rotira u ravnini. Ima potencijale različite snage između središta diska i ruba (ili krajeva cilindra) s električnim polaritetom, koji ovisi o smjeru rotacije i orijentaciji polja.
Poznat je i kao unipolarni Faradayev oscilator. Napon je obično nizak, reda nekoliko volti u slučaju malih demonstracijskih modela, ali veliki istraživački strojevi mogu generirati stotine volti, a neki sustavi imaju više serijskih oscilatora za još veće napone. Neobični su po tome što mogu generirati električnu struju koja može premašiti milijun ampera, budući da unipolarni generator ne mora nužno imati visoki unutarnji otpor.
Priča o izumu
Prvi homopolarni mehanizam razvio je Michael Faraday tijekom svojih eksperimenata 1831. Često se po njemu naziva Faradayev disk ili kotač. To je bio početak modernih dinamostrojevi, odnosno električni generatori koji rade na magnetskom polju. Bio je vrlo neučinkovit i nije se koristio kao praktičan izvor energije, ali je pokazao mogućnost generiranja električne energije pomoću magnetizma i otvorio put za DC dinamo, a zatim i alternatore.
Nedostaci prvog generatora
Faradayev disk prvenstveno je bio neučinkovit zbog nadolazećih struja. Princip rada unipolarnog generatora bit će opisan samo na njegovom primjeru. Dok je struja bila inducirana izravno ispod magneta, struja je kružila u suprotnom smjeru. Povratni tok ograničava izlaznu snagu za prijemne žice i uzrokuje nepotrebno zagrijavanje bakrenog diska. Kasniji homopolarni generatori mogli su riješiti ovaj problem sa setom magneta postavljenih oko perimetra diska kako bi održali konstantno polje po obodu i eliminirali područja u kojima bi moglo doći do povratnog toka.
Daljnji razvoj
Ubrzo nakon što je originalni Faradayev disk diskreditiran kao praktičan generator, razvijena je modificirana verzija kombinirajući magnet i disk u jednom rotirajućem dijelu (rotoru), ali je sama ideja udarnog unipolarnog generatora bila rezervirana za to konfiguracija. Jedan od najranijih patenata za generičke unipolarne mehanizme dobio je A. F. Delafield, američki patent 278,516.
Istraživanje izvanrednih umova
Drugi unipolarni patenti ranog utjecajageneratori su odvojeno dodijeljeni S. Z. De Ferrantiju i S. Batcheloru. Nikola Tesla bio je zainteresiran za Faradayev disk i radio je s homopolarnim mehanizmima, te je na kraju patentirao poboljšanu verziju uređaja u američkom patentu 406,968.
Teslin patent "Dynamo Electric Machine" (Teslin unipolarni generator) opisuje raspored dvaju paralelnih diskova s odvojenim paralelnim osovinama povezanih, poput remenica, metalnim remenom. Svaki disk je imao polje suprotno od drugog, tako da je struja prolazila od jedne osovine do ruba diska, preko remena do drugog ruba i do druge osovine. To bi uvelike smanjilo gubitke trenja uzrokovane kliznim kontaktima, dopuštajući da oba električna senzora komuniciraju s osovinama dvaju diskova, a ne s osovinom i naplatkom velike brzine.
Kasniji patenti dodijeljeni su S. P. Steinmetzu i E. Thomsonu za njihov rad na visokonaponskim unipolarnim generatorima. Forbes Dynamo, koji je dizajnirao škotski inženjer elektrotehnike George Forbes, bio je naširoko korišten početkom 20. stoljeća. Većinu razvoja u homopolarnim mehanizmima patentirao je J. E. Noeggerath i R. Eickemeyer.
50s
Homopolarni generatori doživjeli su renesansu 1950-ih kao izvor pulsnog skladištenja energije. Ovi uređaji koristili su teške diskove kao oblik zamašnjaka za pohranjivanje mehaničke energije koja se mogla brzo baciti u eksperimentalni aparat.
Rani primjer ove vrste uređaja stvorio je Sir Mark Oliphant u Istraživačkoj školiFizičke znanosti i inženjerstvo s Australskog nacionalnog sveučilišta. Pohranjivao je do 500 megadžula energije i koristio se kao izvor ultra-visoke struje za sinkrotronske eksperimente od 1962. do rastavljanja 1986. godine. Oliphantov dizajn bio je sposoban isporučiti struje do 2 megaampera (MA).
Razvio Parker Kinetic Designs
Još veće uređaje poput ovog dizajnira i proizvodi Parker Kinetic Designs (bivši OIME Research & Development) iz Austina. Proizvodili su uređaje za razne namjene, od pogona željezničkih pištolja do linearnih motora (za svemirska lansiranja) i raznih dizajna oružja. Uvedeno je 10 industrijskih dizajna MJ za različite uloge uključujući električno zavarivanje.
Ovi uređaji su se sastojali od vodljivog zamašnjaka, od kojih se jedan rotirao u magnetskom polju s jednim električnim kontaktom blizu osi, a drugim blizu periferije. Korišteni su za generiranje vrlo visokih struja pri niskim naponima u područjima kao što su zavarivanje, elektroliza i istraživanje tračnica. U primjenama impulsne energije, kutni zamah rotora koristi se za pohranjivanje energije za dugo razdoblje, a zatim je otpuštanje u kratkom vremenu.
Za razliku od drugih tipova komutiranih unipolarnih generatora, izlazni napon nikada ne mijenja polaritet. Razdvajanje naboja rezultat je djelovanja Lorentzove sile na slobodne naboje u disku. Gibanje je azimutalno, a polje aksijalno, dakleelektromotorna sila je radijalna.
Električni kontakti se obično izvode kroz "četku" ili klizni prsten, što rezultira velikim gubicima pri niskim naponima. Neki od tih gubitaka mogu se smanjiti korištenjem žive ili nekog drugog lako ukapljenog metala ili legure (galija, NaK) kao "četke" za gotovo kontinuirani električni kontakt.
Izmjena
Nedavno predložena modifikacija bila je korištenje plazma kontakta opremljenog neonskom trakom negativnog otpora koja dodiruje rub diska ili bubnja koristeći specijalizirani ugljik niske radne funkcije u okomitim prugama. To bi imalo prednost vrlo niskog otpora u trenutnom rasponu, moguće do tisuća ampera, bez kontakta s tekućim metalom.
Ako magnetsko polje stvara trajni magnet, generator radi bez obzira na to je li magnet pričvršćen na stator ili se rotira s diskom. Prije otkrića elektrona i Lorentzovog zakona sile, ovaj je fenomen bio neobjašnjiv i bio je poznat kao Faradayev paradoks.
Tip bubnja
Homopolarni generator bubnja ima magnetsko polje (V) koje radijalno zrači iz središta bubnja i inducira napon (V) cijelom svojom dužinom. Vodljivi bubanj koji se rotira odozgo u području magneta tipa "zvučnik" s jednim polom u središtu i drugim koji ga okružuje, može koristiti vodljive kuglične ležajeve na svom vrhu idonji dijelovi za hvatanje generirane struje.
U prirodi
Unipolarni induktori se nalaze u astrofizici, gdje se vodič rotira kroz magnetsko polje, na primjer, kada se visoko vodljiva plazma u ionosferi svemirskog tijela kreće kroz njegovo magnetsko polje.
Unipolarni induktori su povezani s uranovskom aurorom, binarnim zvijezdama, crnim rupama, galaksijama, Jupiterovim mjesecom Io, Mjesecom, sunčevim vjetrom, sunčevim pjegama i venerinskim magnetskim repom.
Značajke mehanizma
Kao i svi gore spomenuti svemirski objekti, Faradayev disk pretvara kinetičku energiju u električnu energiju. Ovaj stroj se može analizirati korištenjem Faradayeva vlastitog zakona elektromagnetske indukcije.
Ovaj zakon u svom modernom obliku kaže da konstantna derivacija magnetskog toka kroz zatvoreni krug inducira u njemu elektromotornu silu, koja zauzvrat pobuđuje električnu struju.
Površinski integral koji definira magnetski tok može se prepisati kao linearni oko kruga. Iako integrand linijskog integrala ne ovisi o vremenu, budući da se Faradayev disk koji je dio granice linijskog integrala pomiče, derivacija ukupnog vremena nije nula i vraća ispravnu vrijednost za izračunavanje elektromotorne sile. Alternativno, disk se može svesti na vodljivi prsten oko svog opsega s jednim metalnim krakom koji povezuje prsten s osovinom.
Lorentzov upaljačkoristiti za objašnjenje ponašanja stroja. Ovaj zakon, formuliran trideset godina nakon Faradayeve smrti, kaže da je sila na elektron proporcionalna križnom proizvodu njegove brzine i vektora magnetskog toka.
U geometrijskom smislu, to znači da je sila usmjerena pod pravim kutom i na brzinu (azimut) i na magnetski tok (aksijalni), koji je stoga u radijalnom smjeru. Radijalno kretanje elektrona u disku uzrokuje razdvajanje naboja između njegovog središta i ruba, a ako se sklop završi, stvara se električna struja.
Električni motor
Unipolarni motor je istosmjerni uređaj s dva magnetska pola, čiji vodiči uvijek prelaze jednosmjerne linije magnetskog toka, rotirajući vodič oko fiksne osi tako da je pod pravim kutom u odnosu na statičko magnetsko polje. Rezultirajuća EMF (elektromotorna sila), koja je kontinuirana u jednom smjeru, za homopolarni motor ne zahtijeva komutator, ali još uvijek zahtijeva klizne prstenove. Naziv "homopolarni" označava da se električni polaritet vodiča i polovi magnetskog polja ne mijenjaju (tj. da ne zahtijeva prebacivanje).
Unipolarni motor bio je prvi električni motor koji je izgrađen. Njegovo djelovanje demonstrirao je Michael Faraday 1821. u Kraljevskoj instituciji u Londonu.
Izum
Godine 1821., nedugo nakon što je danski fizičar i kemičar Hans Christian Oersted otkriofenomen elektromagnetizma, Humphry Davy i britanski znanstvenik William Hyde Wollaston pokušali su, ali nisu uspjeli, razviti električni motor. Faraday, kojeg je Humphrey u šali osporio, nastavio je sa stvaranjem dva uređaja za stvaranje onoga što je nazvao "elektromagnetskom rotacijom". Jedan od njih, sada poznat kao homopolarni pogon, stvorio je kontinuirano kružno gibanje. Prouzročena je kružnom magnetskom silom oko žice smještene u bazenu žive u koji je magnet bio stavljen. Žica bi se vrtjela oko magneta da je napajana kemijskom baterijom.
Ovi eksperimenti i izumi činili su osnovu modernih elektromagnetskih tehnologija. Ubrzo je Faraday objavio rezultate. To je zategnuto odnose s Davyjem zbog njegove ljubomore na Faradayeva postignuća i natjeralo ga da se okrene drugim stvarima, što ga je kao rezultat spriječilo da sudjeluje u elektromagnetskim istraživanjima nekoliko godina.
B. G. Lamm je 1912. opisao homopolarni stroj snage 2000 kW, 260 V, 7700 A i 1200 okretaja u minuti sa 16 kliznih prstenova koji rade pri perifernoj brzini od 67 m/s. Unipolarni generator od 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 okretaja u minuti izgrađen 1934. godine instaliran je u američkoj čeličani za zavarivanje cijevi.
Isti Lorentzov zakon
Rad ovog motora sličan je radu unipolarnog generatora šoka. Unipolarni motor pokreće Lorentzova sila. Provodnik kroz koji teče struja, kada se stavi u magnetsko polje i okomit na njega, osjeća silu usmjer okomit i na magnetsko polje i na struju. Ova sila osigurava moment okretanja oko osi rotacije.
Budući da je potonje paralelno s magnetskim poljem, a suprotna magnetska polja ne mijenjaju polaritet, za nastavak rotacije vodiča nije potrebno prebacivanje. Ova se jednostavnost najlakše postiže dizajnom s jednim okretajem, što homopolarne motore čini neprikladnim za većinu praktičnih primjena.
Poput većine elektromehaničkih strojeva (poput Neggerathovog unipolarnog generatora), homopolarni motor je reverzibilan: ako se vodič mehanički okrene, on će raditi kao homopolarni generator, stvarajući istosmjerni napon između dva terminala vodiča.
Konstantna struja je posljedica homopolarne prirode dizajna. Homopolarni generatori (HPG) bili su opsežno istraženi u kasnom 20. stoljeću kao izvori niskog napona, ali vrlo visoke istosmjerne struje, i postigli su određeni uspjeh u pokretanju eksperimentalnih željezničkih topova.
Zgrada
Izrada unipolarnog generatora vlastitim rukama prilično je jednostavna. Unipolarni motor je također vrlo jednostavan za sastavljanje. Trajni magnet se koristi za stvaranje vanjskog magnetskog polja u kojem će se vodič rotirati, a baterija uzrokuje da struja teče duž vodljive žice.
Nije potrebno da se magnet pomiče ili čak dolazi u kontakt s ostatkom motora; jedina mu je svrha stvoriti magnetsko polje koje ćeinterakciju sa sličnim poljem induciranim strujom u žici. Moguće je pričvrstiti magnet na bateriju i dopustiti da se vodič slobodno okreće kako se električni krug završi, dodirujući i gornji dio baterije i magnet pričvršćen na dno baterije. Žica i baterija mogu se zagrijati tijekom kontinuirane uporabe.
