Unipolarni generator je DC električni mehanizam koji sadrži vodljivi disk ili cilindar koji se okreće u ravnini. Ima različite potencijale u snazi ​​između središta diska i ruba (ili krajeva cilindra) s električnim polaritetom, koji ovisi o smjeru vrtnje i orijentaciji polja.

On je također poznat kao Unipolarni Faraday Generator. Napon je obično nizak, u redu od nekoliko volti u slučaju malih demo modela, ali veliki testni strojevi mogu generirati stotine volti, a neki sustavi imaju nekoliko serijskih generatora za još veći napon. Oni su neobični u tome što mogu generirati električnu struju koja može prelaziti milijun ampera, budući da unipolarni generator ne mora nužno imati visok unutarnji otpor.

Povijest izuma

Prvi homopolarni mehanizam razvio je Michael Faraday tijekom svojih pokusa 1831. U njegovu čast često ga se naziva kotačem ili kotačem Faradaya. Bio je to početak modernih strojeva za dinamo, odnosno električne generatore koji rade na magnetskom polju. Bila je vrlo neučinkovita i nije se koristila kao praktični izvor energije, već je pokazala mogućnost proizvodnje električne energije uz pomoć magnetizma i utro put do izmjeničnih izvora dinamo-istosmjerne struje, a zatim do alternatora.

Nedostaci prvog generatora

Faradayev disk je bio prviNeučinkovit je zbog protustrujnog protoka. Princip unipolarnog generatora opisat će se samo u njegovom primjeru. Dok je struja inducirana izravno ispod magneta, struja je kružila u suprotnom smjeru. Otpor ograničava izlaznu snagu prijemnih žica i uzrokuje nepotrebno zagrijavanje bakrenog diska. Kasniji homopolarni generatori mogli bi riješiti ovaj problem s nizom magneta smještenih oko perimetra diska, kako bi održali konstantno polje u krugu i eliminirali područja u kojima bi moglo biti protuakcije.

Daljnji razvoj

Nedugo nakon što je Faradayev izvorni disk diskreditiran kao praktični generator, razvijena je modificirana verzija magneta i diska u jedinici rotora (rotor), ali Sama ideja o jednopolarnom šok-generatoru bila je rezervirana za tu konfiguraciju. Jedan od najranijih patenata za unipolarne mehanizme općeg tipa dobiven je od A.F. Delafield, U.S. Patent No. 278516.

Istraživanje izvanrednih umova

Drugi rani patenti o šok unipolarnim generatorima dodijeljeni su S.Z.De Ferrante i S. Batchelor odvojeno. Nicola Tesla bio je zainteresiran za Faradayev disk i radio je na homopolarnim mehanizmima, a na kraju je patentirao i poboljšanu verziju uređaja u US patentu 406968. Teslin patent "Dynamo Electric Machine" (unipolarni Tesla generator) opisuje položaj dvaju paralelnih diskova s ​​odvojenim paralelnim osovinama, kao remenice, metalni prolaz. Svaki je disk imao polje, suprotnodrugi tako da protok struje prolazi od jedne osovine do ruba diska kroz remen do drugog ruba i do druge osovine. To bi uvelike smanjilo gubitak trenja uzrokovan kliznim kontaktima, što bi omogućilo interakciji oba električna senzora s vratilima dva diska, a ne s osovinom i obrubom velike brzine. Kasnije su patenti dodijeljeni S. Steinmetzu i E. Thomsonu za njihov rad s unipolarnim generatorima visokog napona. Dinamo Forbes, kojeg je razvio škotski inženjer elektrotehnike George Forbes, naširoko je korišten početkom dvadesetog stoljeća. Većinu razvoja homopolarnih mehanizama patentirali su J. E. Noeggerath i R. Eickemeyer.

50. godina

Homopolarni generatori preživjeli su renesansu pedesetih godina kao izvor impulsnog skladištenja energije. Ovi su uređaji koristili teške diskove kao zamašnjak za uštedu mehaničke energije, koja se mogla brzo baciti u eksperimentalno vozilo. Rani primjer ovakvog uređaja stvorio je Sir Mark Olifant u Istraživačkoj školi za fiziku i inženjerstvo Australskog nacionalnog sveučilišta. U njemu je bilo pohranjeno do 500 megajoula energije, a od 1962. godine, dok je rastavljen 1986. godine, korišten je kao izvor visoke struje za sinkrotronske pokuse. Dizajn Olyphante je bio u mogućnosti dostaviti struje do 2 megaampa (MA).

Parker Kinetic Designs

Slične naprave još su više dizajnirane i proizvedene od strane tvrtke Parker Kinetic Designs (ranije OIME Research & Development) iz Austina. Oni jesunapravili uređaje za razne svrhe: od isporuke željezničkih pištolja do linearnih motora za lansiranje u svemir) i raznih dizajna oružja. Uvedeni su industrijski dizajn za 10 MJ-a za različite uloge, uključujući električno zavarivanje.
Ovi uređaji sastojali su se od vodećeg zamašnjaka, od kojih se jedan okreće u magnetskom polju s jednim električnim kontaktom oko osi, a drugi - u blizini periferije. Koristili su se za stvaranje vrlo visokih struja pri niskim naponima u područjima kao što su zavarivanje, elektroliza i istraživanje pištolja. U primjenama s impulsnom energijom, kutni moment rotora koristi se za akumuliranje energije tijekom dugog perioda, a zatim za njegovo oslobađanje u kratkom vremenu. Za razliku od drugih tipova unipolarnih generatora s prekidačem, izlazni napon nikada ne mijenja polaritet. Podjela naboja rezultat je učinka Lorentzove sile na slobodne naboje u disku. Kretanje je azimutalno, a polje je aksijalno, tako da je elektromotorna sila radijalna. Električni kontakti se obično izvode putem "četke" ili kontaktnog prstena, što dovodi do velikih gubitaka pri generiranju niskog napona. Neki od tih gubitaka mogu se smanjiti korištenjem žive ili drugog lako ukapljenog metala ili legure (Galium, NaK) kao "četke" kako bi se osigurao praktički kontinuirani električni kontakt.

Izmjena

Nedavno predložena izmjena bila je upotreba kontakta s plazmom dobivenog od neonskog striptizeta s negativnim otporom prema rubudisk ili bubanj, koristeći specijalizirani ugljik s malim izlaznim radom u okomitim trakama. To bi imalo prednost vrlo niskog otpora u rasponu struje, moguće do tisuću ampera bez kontakta s tekućim metalom. Ako se magnetskim poljem stvara stalni magnet, generator radi neovisno o tome je li magnet pričvršćen za stator ili rotira s diskom. Prije otkrića elektrona i zakona Lorentza, ta je pojava bila nejasna i poznata kao Faradayev paradoks.

"Tip bubnja"

Homopolarni generator bubanj ima magnetsko polje koje zrači radijalno od središta bubnja i inducira napon (V) po cijeloj svojoj dužini. Vodeći bubanj koji se okreće odozgo u području magneta tipa zvučnika, s jednim polom u sredini, a drugi ga okružuje, može koristiti vodeće kuglične ležajeve u svojim gornjim i donjim dijelovima za hvatanje generirane struje. U prirodiunipolarni induktori nalaze se u astrofizici, gdje se vodič okreće kroz magnetsko polje, na primjer, kada vozi visoko vodljivu plazmu u ionosferi kozmičkog tijela kroz svoje magnetsko polje. Unipolarni induktori su bili povezani s odsjajem u Uranu, dvostrukim zvijezdama, crnim rupama, galaksijama, Jupiterovim Io, Mjesecom, Sunčevim vjetrom, sunčevim pjegama i magnetskim repovima Venere.

Značajke mehanizma

Kao i svi gore spomenuti svemirski objekti, Faradayov pogon pretvara kinetičku energiju u električnu. Ovaj stroj se može analizirati pomoćukoristeći odgovarajući zakon elektromagnetske indukcije Faradaya. Ovaj zakon u svom suvremenom obliku navodi da konstantni derivat magnetskog toka kroz zatvoreni krug inducira u njoj elektromotornu silu, koja, zauzvrat, pobuđuje električnu struju. Površinski integral koji određuje magnetski tok može se prepisati kao krug oko kruga. Iako integrand integrala linije ne ovisi o vremenu, budući da se Faradayev pogon, koji je dio granice linearnog integrala, pomiče, derivat punog vremena nije jednak nuli i vraća ispravnu vrijednost za izračun elektromotorne sile. Alternativno, disk se može smanjiti do vodljivog prstena oko njegovog opsega uz pomoć jednog metalnog kalema koji povezuje prsten s osi. Zakon Lorentzove sile je lakše koristiti za objašnjenje ponašanja stroja. Ovaj zakon, formuliran trideset godina nakon Faradayove smrti, navodi da je sila na elektron proporcionalna križnom proizvodu njegove brzine i vektora magnetskog toka. U geometrijskim terminima to znači da je sila usmjerena pod pravim kutom u odnosu na brzinu (azimutalnu) i na magnetski tok (aksijalni), koji je stoga smješten u radijalnom smjeru. Radijalno gibanje elektrona u disku uzrokuje podjelu naboja između njegova središta i ruba, a ako je krug zatvoren, dolazi do električne struje.

Elektromotor

Jednopolni elektromotor je DC uređaj s dva magnetska pola čiji vodiči uvijek prelaze jednosmjerne linije magnetskog toka, rotirajućivodiča oko stacionarne osi tako da je pod pravim kutom u odnosu na statično magnetsko polje. Rezultirajući EMF (elektromotorna sila), koji je kontinuiran u jednom smjeru, ne zahtijeva komutator za homopolarni motor, ali još uvijek zahtijeva kontaktne prstene. Naziv "homopolar" označava da se električni polaritet vodiča i polova magnetskog polja ne mijenja (to jest, ne zahtijeva prekid). Jednopolni motor bio je prvi električni motor koji je izgrađen. Njegovo djelo pokazao je Michael Faraday 1821. na Kraljevskom institutu u Londonu.