Еднополюсен генератор е електрически механизъм с постоянен ток, съдържащ електропроводим диск или цилиндър, въртящ се в равнина. Има потенциали с различна мощност между центъра на диска и ръба (или краищата на цилиндъра) с електрическа полярност, която зависи от посоката на въртене и ориентацията на полето.
Той е известен още като еднополюсен осцилатор на Фарадей. Напрежението обикновено е ниско, от порядъка на няколко волта в случай на малки демонстрационни модели, но големите изследователски машини могат да генерират стотици волта, а някои системи имат множество серийни осцилатори за още по-високи напрежения. Те са необичайни с това, че могат да генерират електрически ток, който е в състояние да надхвърли милион ампера, тъй като еднополюсният генератор не е задължително да има високо вътрешно съпротивление.
История за изобретения
Първият хомополярен механизъм е разработен от Майкъл Фарадей по време на неговите експерименти през 1831 г. Често се нарича Фарадеев диск или колело след него. Това беше началото на съвременните динамомашини, тоест електрически генератори, работещи върху магнитно поле. Той беше много неефективен и не се използва като практичен източник на енергия, но показа възможността за генериране на електричество с помощта на магнетизъм и проправи пътя за превключвани DC динамо и след това алтернатори.
Недостатъци на първия генератор
Дискът на Фарадей беше преди всичко неефективен поради идващите токови потоци. Принципът на работа на еднополюсен генератор ще бъде описан само с неговия пример. Докато токовият поток се индуцира директно под магнита, токът циркулира в обратна посока. Обратният поток ограничава изходната мощност за приемните проводници и причинява ненужно нагряване на медния диск. По-късните хомополярни генератори биха могли да решат този проблем с набор от магнити, поставени около периметъра на диска, за да поддържат постоянно поле около обиколката и да елиминират областите, където може да възникне обратен поток.
По-нататъшни разработки
Малко след като оригиналният диск на Фарадей беше дискредитиран като практичен генератор, беше разработена модифицирана версия, комбинираща магнит и диск в една въртяща се част (ротор), но самата идея за ударен еднополюсен генератор беше запазена за това конфигурация. Един от най-ранните патенти за генерични униполярни механизми е получен от A. F. Delafield, патент на САЩ 278 516.
Изследване на изключителни умове
Други ранни униполярни патентигенераторите бяха присъдени поотделно на S. Z. De Ferranti и S. Batchelor. Никола Тесла се интересува от диска на Фарадей и работи с хомополярни механизми и в крайна сметка патентова подобрена версия на устройството в патент на САЩ 406 968.
Патентът на Tesla "Dynamo Electric Machine" (униполярният генератор на Tesla) описва подреждане на два успоредни диска с отделни паралелни валове, свързани, като шайби, с метален ремък. Всеки диск имаше поле, противоположно на другото, така че токовият поток преминаваше от единия вал към ръба на диска, през ремъка към другия ръб и към втория вал. Това значително ще намали загубите от триене, причинени от плъзгащите се контакти, позволявайки на двата електрически сензора да взаимодействат с валовете на двата диска, а не с вала и високоскоростната джанта.
По-късно патенти са присъдени на S. P. Steinmetz и E. Thomson за тяхната работа върху високоволтови еднополярни генератори. Динамото на Forbes, проектирано от шотландския електроинженер Джордж Форбс, е широко използвано в началото на 20-ти век. Повечето от разработките, направени в хомополярните механизми, са патентовани от J. E. Ноегерат и Р. Айкемайер.
50s
Хомополярните генератори преживяват ренесанса през 50-те години на миналия век като източник на импулсно съхранение на енергия. Тези устройства използваха тежки дискове като форма на маховик за съхраняване на механична енергия, която можеше бързо да бъде изхвърлена в експерименталния апарат.
Ранен пример за този вид устройство е създаден от сър Марк Олифант в Изследователското училищеФизически науки и инженерство от Австралийския национален университет. Той съхранява до 500 мегаджаула енергия и се използва като източник на свръхвисок ток за синхротронни експерименти от 1962 г. до демонтирането му през 1986 г. Дизайнът на Oliphant беше способен да доставя токове до 2 мегаампера (MA).
Разработено от Parker Kinetic Designs
Още по-големи устройства като това са проектирани и изградени от Parker Kinetic Designs (преди OIME Research & Development) от Остин. Те произвеждаха устройства за различни цели, от захранване на железопътни пистолети до линейни двигатели (за космически изстрелвания) и различни дизайни на оръжия. Въведени са 10 индустриални дизайна MJ за различни роли, включително електрическо заваряване.
Тези устройства се състоят от проводящ маховик, единият от които се върти в магнитно поле с един електрически контакт близо до оста, а другият близо до периферията. Те са били използвани за генериране на много високи токове при ниски напрежения в области като заваряване, електролиза и изследвания за железопътни пистолети. При импулсни енергийни приложения ъгловият импулс на ротора се използва за съхраняване на енергия за дълъг период от време и след това да я освободи за кратко време.
За разлика от други видове комутирани униполярни генератори, изходното напрежение никога не променя полярността. Разделянето на зарядите е резултат от действието на силата на Лоренц върху свободните заряди в диска. Движението е азимутално, а полето е аксиално, т.еелектродвижещата сила е радиална.
Електрическите контакти обикновено се осъществяват чрез "четка" или плъзгащ пръстен, което води до високи загуби при генерирани ниски напрежения. Някои от тези загуби могат да бъдат намалени чрез използване на живак или друг лесно втечнен метал или сплав (галий, NaK) като "четка", за да се осигури почти непрекъснат електрически контакт.
Промяна
Наскоро предложена модификация е да се използва плазмен контакт, снабден с неонова лента с отрицателно съпротивление, докосваща ръба на диска или барабана, използвайки специализиран въглерод с ниска работна функция във вертикални ивици. Това би имало предимството на много ниско съпротивление в диапазона на тока, вероятно до хиляди ампера, без контакт с течен метал.
Ако магнитното поле се създава от постоянен магнит, генераторът работи независимо дали магнитът е прикрепен към статора или се върти с диска. Преди откриването на електрона и закона за силата на Лоренц, това явление е било необяснимо и е било известно като парадоксът на Фарадей.
Тип барабан
Хомополярен генератор от барабанен тип има магнитно поле (V), което излъчва радиално от центъра на барабана и индуцира напрежение (V) по цялата му дължина. Проводим барабан, въртящ се отгоре в областта на магнит тип "висок високоговорител" с един полюс в центъра, а другият около него, може да използва проводими сачмени лагери в горната си част идолните части за улавяне на генерирания ток.
В природата
Униполярни индуктори се намират в астрофизика, където проводникът се върти чрез магнитно поле, например, когато силно проводима плазма в йоносферата на космическо тяло се движи през неговото магнитно поле.
Униполярните индуктори са свързани с уранското сияние, двойните звезди, черните дупки, галактиките, луната на Юпитер Йо, Луната, слънчевия вятър, слънчевите петна и магнитната опашка на Венера.
Характеристики на механизма
Като всички гореспоменати космически обекти, дискът на Фарадей преобразува кинетичната енергия в електрическа енергия. Тази машина може да бъде анализирана с помощта на собствения закон на Фарадей за електромагнитна индукция.
Този закон в съвременната му форма гласи, че постоянната производна на магнитния поток през затворена верига индуцира електродвижеща сила в нея, която от своя страна възбужда електрически ток.
Повърхностният интеграл, който дефинира магнитния поток, може да бъде пренаписан като линеен около веригата. Въпреки че интегралната функция на линейния интеграл не зависи от времето, тъй като дискът на Фарадей, който е част от границата на линейния интеграл, се движи, производната на общото време не е нула и връща правилната стойност за изчисляване на електродвижещата сила. Като алтернатива, дискът може да бъде намален до проводящ пръстен около своята обиколка с една метална спица, свързваща пръстена с оста.
Запалка със сила на Лоренцда се използва за обяснение на поведението на машината. Този закон, формулиран тридесет години след смъртта на Фарадей, гласи, че силата върху електрона е пропорционална на кръстосаното произведение на неговата скорост и вектора на магнитния поток.
В геометрични термини това означава, че силата е насочена под прав ъгъл както към скоростта (азимут), така и към магнитния поток (аксиален), който следователно е в радиална посока. Радиалното движение на електроните в диска причинява разделяне на зарядите между неговия център и ръб и ако веригата е завършена, се генерира електрически ток.
Електрически двигател
Униполярният двигател е устройство с постоянен ток с два магнитни полюса, чиито проводници винаги пресичат еднопосочни линии на магнитен поток, завъртайки проводника около фиксирана ос, така че да е под прав ъгъл спрямо статичното магнитно поле. Получената EMF (електродвижеща сила), която е непрекъсната в една посока, към хомополярен двигател не изисква комутатор, но все пак изисква плъзгащи пръстени. Името "хомополярно" показва, че електрическият полярност на проводника и полюсите на магнитното поле не се променят (тоест, че не изисква превключване).
Униполярният двигател е първият построен електрически двигател. Действието му е демонстрирано от Майкъл Фарадей през 1821 г. в Кралския институт в Лондон.
Изобретение
През 1821 г., малко след като датският физик и химик Ханс Кристиан Ерстед откриваявлението на електромагнетизма, Хъмфри Дейви и британският учен Уилям Хайд Уоластън се опитват, но не успяват, да разработят електрически двигател. Фарадей, оспорван като шега от Хъмфри, продължи да създаде две устройства, за да създаде това, което той нарече „електромагнитно въртене“. Едно от тях, сега известно като хомополярно задвижване, създаде непрекъснато кръгово движение. Тя е причинена от кръгова магнитна сила около тел, поставен в басейн с живак, в който е поставен магнитът. Жицата ще се върти около магнита, ако се захранва от химическа батерия.
Тези експерименти и изобретения формират основата на съвременните електромагнитни технологии. Скоро Фарадей публикува резултатите. Това обтегна отношенията с Дейви поради ревността му към постиженията на Фарадей и накара последния да се обърне към други неща, което в резултат му попречи да участва в електромагнитни изследвания в продължение на няколко години.
B. G. Lamm описва през 1912 г. хомополярна машина с мощност 2000 kW, 260 V, 7700 A и 1200 об/мин с 16 плъзгащи пръстена, работещи при периферна скорост 67 m/s. Еднополюсен генератор 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 rpm, построен през 1934 г., е инсталиран в американска стоманодобивна фабрика за заваряване на тръби.
Същият закон на Лоренц
Работата на този двигател е подобна на тази на шоков еднополюсен генератор. Еднополюсният двигател се задвижва от силата на Лоренц. Проводник с протичащ през него ток, когато е поставен в магнитно поле и перпендикулярно на него, усеща сила впосока, перпендикулярна както на магнитното поле, така и на тока. Тази сила осигурява въртящ момент около оста на въртене.
Тъй като последното е успоредно на магнитното поле и противоположните магнитни полета не променят полярността, не е необходимо превключване за продължаване на въртенето на проводника. Тази простота се постига най-лесно с еднооборотни конструкции, което прави хомополярните двигатели неподходящи за повечето практически приложения.
Като повечето електромеханични машини (като униполярния генератор на Негерат), хомополярният двигател е обратим: ако проводникът се завърти механично, той ще работи като хомополярен генератор, създавайки постоянно напрежение между двата извода на проводника.
Постоянният ток е следствие от хомополярния характер на дизайна. Хомополярните генератори (HPG) бяха широко изследвани в края на 20-ти век като източници на ниско напрежение, но много висок постоянен ток и постигнаха известен успех в захранването на експериментални релсови оръдия.
Сграда
Изработването на еднополюсен генератор със собствените си ръце е доста просто. Еднополюсният мотор също е много лесен за сглобяване. Постоянният магнит се използва за създаване на външно магнитно поле, в което проводникът ще се върти, а батерията кара ток да тече по проводящия проводник.
Не е необходимо магнитът да се движи или дори да влиза в контакт с останалата част от двигателя; единствената му цел е да създаде магнитно поле, което щевзаимодействат с подобно поле, индуцирано от ток в проводника. Възможно е да прикачите магнит към батерия и да позволите на проводника да се върти свободно, докато електрическата верига е завършена, докосвайки както горната част на батерията, така и магнита, прикрепен към дъното на батерията. Проводникът и батерията може да се загреят по време на продължителна употреба.
