En unipolar generator er en elektrisk likestrømsmekanisme som inneholder en elektrisk ledende skive eller sylinder som roterer i et plan. Den har potensialer med forskjellig kraft mellom midten av skiven og kanten (eller endene av sylinderen) med elektrisk polaritet, som avhenger av rotasjonsretningen og feltets orientering.
Den er også kjent som den unipolare Faraday-oscillatoren. Spenningen er vanligvis lav, i størrelsesorden noen få volt når det gjelder små demonstrasjonsmodeller, men store forskningsmaskiner kan generere hundrevis av volt, og noen systemer har flere serieoscillatorer for enda høyere spenninger. De er uvanlige ved at de kan generere en elektrisk strøm som er i stand til å overstige en million ampere, siden en unipolar generator ikke nødvendigvis har høy indre motstand.
Oppfinnelseshistorie
Den første homopolare mekanismen ble utviklet av Michael Faraday under eksperimentene hans i 1831. Det blir ofte referert til som en Faraday-skive eller hjul etter ham. Dette var begynnelsen på moderne dynamoermaskiner, det vil si elektriske generatorer som opererer på et magnetfelt. Den var veldig ineffektiv og ikke brukt som en praktisk strømkilde, men viste muligheten for å generere elektrisitet ved hjelp av magnetisme og banet vei for svitsjede DC-dynamoer og deretter generatorer.
Ulemper med den første generatoren
Faradays plate var først og fremst ineffektiv på grunn av de motgående strømmene. Prinsippet for drift av en unipolar generator vil bli beskrevet bare ved sitt eksempel. Mens strømmen ble indusert direkte under magneten, sirkulerte strømmen i motsatt retning. Tilbakestrømmen begrenser utgangseffekten for mottaksledningene og forårsaker unødvendig oppvarming av kobberskiven. Senere homopolare generatorer kunne løse dette problemet med et sett med magneter plassert rundt omkretsen av disken for å opprettholde et konstant felt rundt omkretsen og eliminere områder der tilbakestrømning kan oppstå.
Ytterligere utvikling
Kort etter at den originale Faraday-disken ble miskreditert som en praktisk generator, ble det utviklet en modifisert versjon som kombinerte magnet og disk i én roterende del (rotor), men selve ideen om en unipolar slaggenerator var forbeholdt dette konfigurasjon. En av de tidligste patentene for generiske unipolare mekanismer ble oppnådd av A. F. Delafield, U. S. Patent 278,516.
Research of outstanding minds
Andre unipolare patenter med tidlig virkninggeneratorene ble tildelt separat til S. Z. De Ferranti og S. Batchelor. Nikola Tesla var interessert i Faraday-disken og jobbet med homopolare mekanismer, og patenterte til slutt en forbedret versjon av enheten i US Patent 406,968.
Teslas "Dynamo Electric Machine"-patent (Teslas unipolare generator) beskriver et arrangement av to parallelle skiver med separate parallelle aksler forbundet, som trinser, med et metallbelte. Hver skive hadde et felt motsatt den andre, slik at strømmen gikk fra den ene akselen til kanten av skiven, gjennom beltet til den andre kanten, og til den andre akselen. Dette vil i stor grad redusere friksjonstapene forårsaket av glidekontaktene, slik at begge de elektriske sensorene kan samhandle med akslene til de to skivene i stedet for akselen og høyhastighetsfelgen.
Senere patenter ble tildelt S. P. Steinmetz og E. Thomson for deres arbeid med høyspent unipolare generatorer. Forbes Dynamo, designet av den skotske elektroingeniøren George Forbes, ble mye brukt på begynnelsen av 1900-tallet. Det meste av utviklingen innen homopolare mekanismer har blitt patentert av J. E. Noeggerath og R. Eickemeyer.
50s
Homopolare generatorer opplevde en renessanse på 1950-tallet som en kilde til pulserende energilagring. Disse enhetene brukte tunge skiver som en form for svinghjul for å lagre mekanisk energi som raskt kunne dumpes inn i det eksperimentelle apparatet.
Et tidlig eksempel på denne typen enhet ble laget av Sir Mark Oliphant ved forskerskolenFysiske vitenskaper og ingeniørfag fra Australian National University. Den lagret opptil 500 megajoule energi og ble brukt som en ultrahøystrømkilde for synkrotroneksperimenter fra 1962 til den ble demontert i 1986. Oliphants design var i stand til å levere strømmer på opptil 2 megaampere (MA).
Utviklet av Parker Kinetic Designs
Enda større enheter som dette er designet og bygget av Parker Kinetic Designs (tidligere OIME Research & Development) i Austin. De produserte enheter for en rekke formål, fra å drive jernbanepistoler til lineære motorer (for romoppskytinger) og forskjellige våpendesign. 10 MJ industrielle design har blitt introdusert for ulike roller, inkludert elektrisk sveising.
Disse enhetene besto av et ledende svinghjul, hvorav det ene roterte i et magnetfelt med en elektrisk kontakt nær aksen og den andre nær periferien. De har blitt brukt til å generere svært høye strømmer ved lave spenninger i områder som sveising, elektrolyse og jernbanevåpenforskning. I pulserende energiapplikasjoner brukes vinkelmomentet til rotoren til å lagre energi i en lang periode og deretter frigjøre den på kort tid.
I motsetning til andre typer kommuterte unipolare generatorer, reverserer aldri utgangsspenningen polaritet. Separasjonen av ladninger er resultatet av virkningen av Lorentz-kraften på de frie ladningene i disken. Bevegelsen er asimutal og feltet er aksi alt, såelektromotorisk kraft er radiell.
Elektriske kontakter lages vanligvis gjennom en "børste" eller slepering, noe som resulterer i store tap ved de lave spenningene som genereres. Noen av disse tapene kan reduseres ved å bruke kvikksølv eller et annet lett flytende metall eller legering (gallium, NaK) som en "børste" for å gi nesten kontinuerlig elektrisk kontakt.
Endring
En nylig foreslått modifikasjon har vært å bruke en plasmakontakt utstyrt med en neonstreamer med negativ motstand som berører kanten av platen eller trommelen ved å bruke spesialisert karbon med lav arbeidsfunksjon i vertikale striper. Dette ville ha fordelen av svært lav motstand i det gjeldende området, muligens opptil tusenvis av ampere, uten kontakt med flytende metall.
Hvis magnetfeltet skapes av en permanent magnet, fungerer generatoren uavhengig av om magneten er festet til statoren eller roterer med skiven. Før oppdagelsen av elektronet og Lorentz sin kraftlov, var dette fenomenet uforklarlig og var kjent som Faradays paradoks.
Trommetype
En trommeltype homopolar generator har et magnetfelt (V) som stråler radielt fra midten av trommelen og induserer en spenning (V) langs hele lengden. En ledende trommel som roterer ovenfra i området til en "høyttaler"-magnet med en pol i midten og den andre rundt den, kan bruke ledende kulelager i toppen ognedre deler for å fange opp den genererte strømmen.
I naturen
Unipolare induktorer finnes i astrofysikk, der lederen roterer gjennom et magnetfelt, for eksempel når et sterkt ledende plasma i ionosfæren til et romlegeme beveger seg gjennom magnetfeltet.
Unipolare induktorer har blitt assosiert med nordlys fra Uran, binære stjerner, sorte hull, galakser, Jupiters måne Io, månen, solvinden, solflekker og den venusiske magnetiske halen.
Mekanismefunksjoner
Som alle de ovennevnte romobjektene, konverterer Faraday-skiven kinetisk energi til elektrisk energi. Denne maskinen kan analyseres ved hjelp av Faradays egen lov om elektromagnetisk induksjon.
Denne loven i sin moderne form sier at den konstante deriverte av magnetisk fluks gjennom en lukket krets induserer en elektromotorisk kraft i den, som igjen eksiterer en elektrisk strøm.
Overflateintegralet som definerer den magnetiske fluksen kan omskrives som en lineær rundt kretsen. Selv om integranden til linjeintegralet ikke er avhengig av tid, siden Faraday-skiven som er en del av grensen til linjeintegralet beveger seg, er den deriverte av den totale tiden ikke null og returnerer den riktige verdien for å beregne den elektromotoriske kraften. Alternativt kan skiven reduseres til en ledende ring rundt omkretsen med en enkelt metalleiker som kobler ringen til akselen.
Lorentz tvinger loven letterebrukes til å forklare oppførselen til maskinen. Denne loven, formulert tretti år etter Faradays død, sier at kraften på et elektron er proporsjonal med kryssproduktet av dets hastighet og den magnetiske fluksvektoren.
I geometriske termer betyr dette at kraften er rettet i rette vinkler på både hastigheten (asimut) og den magnetiske fluksen (aksial), som derfor er i radiell retning. Den radielle bevegelsen av elektroner i disken forårsaker en separasjon av ladninger mellom senteret og kanten, og hvis kretsen er fullført, genereres en elektrisk strøm.
Elektrisk motor
En unipolar motor er en DC-enhet med to magnetiske poler, hvis ledere alltid krysser ensrettede magnetiske flukslinjer, og roterer lederen rundt en fast akse slik at den er vinkelrett på det statiske magnetfeltet. Den resulterende EMF (elektromotorisk kraft), som er kontinuerlig i én retning, til en homopolar motor krever ikke en kommutator, men krever fortsatt sleperinger. Navnet "homopolar" indikerer at den elektriske polariteten til lederen og polene til magnetfeltet ikke endres (det vil si at det ikke krever veksling).
Den unipolare motoren var den første elektriske motoren som ble bygget. Dens handling ble demonstrert av Michael Faraday i 1821 ved Royal Institution i London.
Oppfinnelse
I 1821, kort tid etter at den danske fysikeren og kjemikeren Hans Christian Oersted oppdagetfenomenet elektromagnetisme, forsøkte Humphry Davy og den britiske forskeren William Hyde Wollaston, men klarte ikke å utvikle en elektrisk motor. Faraday, omstridt som en spøk av Humphrey, fortsatte med å lage to enheter for å skape det han k alte "elektromagnetisk rotasjon". En av dem, nå kjent som den homopolare driften, skapte en kontinuerlig sirkulær bevegelse. Det ble forårsaket av en sirkulær magnetisk kraft rundt en ledning plassert i en kvikksølvbasseng der magneten ble plassert. Ledningen ville dreie seg rundt magneten hvis den ble drevet av et kjemisk batteri.
Disse eksperimentene og oppfinnelsene dannet grunnlaget for moderne elektromagnetiske teknologier. Snart publiserte Faraday resultatene. Dette anstrengte forholdet til Davy på grunn av hans sjalusi over Faradays prestasjoner og fikk sistnevnte til å vende seg til andre ting, noe som som et resultat hindret ham fra å delta i elektromagnetisk forskning i flere år.
B. G. Lamm beskrev i 1912 en homopolar maskin med en effekt på 2000 kW, 260 V, 7700 A og 1200 rpm med 16 sleperinger som opererer med en periferhastighet på 67 m/s. En 1125kW, 7,5V, 150 000A, 514rpm unipolar generator bygget i 1934 ble installert i et amerikansk stålverk for rørsveising.
Den samme Lorentz-loven
Operasjonen til denne motoren ligner på en sjokk unipolar generator. Den unipolare motoren drives av Lorentz-kraften. En leder med en strøm som flyter gjennom den, når den plasseres i et magnetfelt og vinkelrett på det, føler en kraft iretning vinkelrett på både magnetfeltet og strømmen. Denne kraften gir et dreiemoment rundt rotasjonsaksen.
Siden sistnevnte er parallell med magnetfeltet, og motstående magnetiske felt ikke endrer polaritet, er det ikke nødvendig å bytte for å fortsette å rotere lederen. Denne enkelheten oppnås lettest med enkeltsving-design, noe som gjør homopolare motorer uegnet for de fleste praktiske bruksområder.
Som de fleste elektromekaniske maskiner (som Neggeraths unipolare generator), er den homopolare motoren reversibel: hvis lederen dreies mekanisk, vil den fungere som en homopolar generator, og skape en likespenning mellom de to terminalene på lederen.
Den konstante strømmen er en konsekvens av designets homopolare natur. Homopolare generatorer (HPG-er) ble grundig utforsket på slutten av 1900-tallet som kilder til lav spenning, men svært høy strøm likestrøm, og oppnådde en viss suksess med å drive eksperimentelle jernbanekanoner.
Bygning
Å lage en unipolar generator med egne hender er ganske enkelt. Den unipolare motoren er også veldig enkel å montere. Permanentmagneten brukes til å lage et eksternt magnetfelt der lederen vil rotere, og batteriet får strøm til å flyte langs den ledende ledningen.
Det er ikke nødvendig at magneten beveger seg eller kommer i kontakt med resten av motoren; dens eneste formål er å skape et magnetfelt som vilsamhandle med et lignende felt indusert av strøm i ledningen. Det er mulig å feste en magnet til et batteri og la lederen rotere fritt når den elektriske kretsen er fullført, og berører både toppen av batteriet og magneten festet til bunnen av batteriet. Ledningen og batteriet kan bli varme under kontinuerlig bruk.
