En unipolär generator är en elektrisk likströmsmekanism som innehåller en elektriskt ledande skiva eller cylinder som roterar i ett plan. Den har potentialer av olika kraft mellan skivans centrum och kanten (eller cylinderändarna) med elektrisk polaritet, vilket beror på rotationsriktningen och fältets orientering.
Den är också känd som den unipolära Faraday-oscillatorn. Spänningen är vanligtvis låg, i storleksordningen några volt när det gäller små demonstrationsmodeller, men stora forskningsmaskiner kan generera hundratals volt, och vissa system har flera oscillatorer i serie för ännu högre spänningar. De är ovanliga genom att de kan generera en elektrisk ström som kan överstiga en miljon ampere, eftersom en unipolär generator inte nödvändigtvis har ett högt internt motstånd.
Invention Story
Den första homopolära mekanismen utvecklades av Michael Faraday under hans experiment 1831. Det kallas ofta för en Faraday-skiva eller hjul efter honom. Detta var början på moderna dynamosmaskiner, det vill säga elektriska generatorer som arbetar på ett magnetfält. Den var väldigt ineffektiv och användes inte som en praktisk strömkälla, men visade möjligheten att generera elektricitet med hjälp av magnetism och banade väg för switchade DC-dynamos och sedan generatorer.
Nackdelar med den första generatorn
Faradays skiva var i första hand ineffektiv på grund av de mötande strömflödena. Funktionsprincipen för en unipolär generator kommer att beskrivas bara genom dess exempel. Medan strömflödet inducerades direkt under magneten cirkulerade strömmen i motsatt riktning. Återflödet begränsar uteffekten för de mottagande ledningarna och orsakar onödig uppvärmning av kopparskivan. Senare homopolära generatorer skulle kunna lösa detta problem med en uppsättning magneter placerade runt skivans omkrets för att upprätthålla ett konstant fält runt omkretsen och eliminera områden där tillbakaflöde kan inträffa.
Ytterligare utveckling
Kort efter att den ursprungliga Faraday-skivan misskrediterades som en praktisk generator, utvecklades en modifierad version som kombinerade magnet och skiva i en roterande del (rotor), men själva idén med en unipolär slaggenerator var reserverad för detta konfiguration. Ett av de tidigaste patenten för generiska unipolära mekanismer erhölls av A. F. Delafield, U. S. Patent 278,516.
Research of outstanding minds
Andra unipolära patent med tidiga effektergeneratorerna tilldelades separat till S. Z. De Ferranti och S. Batchelor. Nikola Tesla var intresserad av Faraday-skivan och arbetade med homopolära mekanismer och patenterade så småningom en förbättrad version av enheten i US Patent 406,968.
Teslas "Dynamo Electric Machine"-patent (Teslas unipolära generator) beskriver ett arrangemang av två parallella skivor med separata parallella axlar anslutna, som remskivor, med en metallrem. Varje skiva hade ett fält motsatt den andra, så att strömflödet gick från en axel till skivans kant, genom bandet till den andra kanten och till den andra axeln. Detta skulle avsevärt minska friktionsförlusterna som orsakas av glidkontakterna, vilket gör att båda elektriska sensorerna kan samverka med axlarna på de två skivorna snarare än axeln och höghastighetsfälgen.
Senare patent tilldelades S. P. Steinmetz och E. Thomson för deras arbete med unipolära högspänningsgeneratorer. Forbes Dynamo, designad av den skotske elektroingenjören George Forbes, användes flitigt i början av 1900-talet. De flesta av utvecklingarna inom homopolära mekanismer har patenterats av J. E. Noeggerath och R. Eickemeyer.
50s
Homopolära generatorer fick en renässans på 1950-talet som en källa till pulserande energilagring. Dessa enheter använde tunga skivor som en form av svänghjul för att lagra mekanisk energi som snabbt kunde dumpas i experimentapparaten.
Ett tidigt exempel på den här typen av anordning skapades av Sir Mark Oliphant vid forskarskolanFysiska vetenskaper och teknik från Australian National University. Den lagrade upp till 500 megajoule energi och användes som en ultrahög strömkälla för synkrotronexperiment från 1962 tills den demonterades 1986. Oliphants design kunde leverera strömmar upp till 2 megaampere (MA).
Utvecklad av Parker Kinetic Designs
Även större enheter som denna är designade och byggda av Parker Kinetic Designs (tidigare OIME Research & Development) i Austin. De producerade enheter för en mängd olika ändamål, från att driva järnvägspistoler till linjärmotorer (för rymduppskjutningar) och olika vapendesigner. 10 MJ-industridesigner har introducerats för olika roller inklusive elektrisk svetsning.
Dessa enheter bestod av ett ledande svänghjul, varav det ena roterade i ett magnetfält med en elektrisk kontakt nära axeln och den andra nära periferin. De har använts för att generera mycket höga strömmar vid låga spänningar inom områden som svetsning, elektrolys och rälsvapenforskning. I pulserande energitillämpningar används rotorns vinkelmoment för att lagra energi under en lång period och sedan frigöra den på kort tid.
Till skillnad från andra typer av kommuterade unipolära generatorer, vänder utspänningen aldrig om polariteten. Separationen av laddningar är resultatet av Lorentz-kraftens verkan på de fria laddningarna i skivan. Rörelsen är azimutal och fältet är axiellt, såelektromotorisk kraft är radiell.
Elektriska kontakter görs vanligtvis genom en "borste" eller släpring, vilket resulterar i stora förluster vid de låga spänningar som genereras. En del av dessa förluster kan minskas genom att använda kvicksilver eller annan lätt flytande metall eller legering (gallium, NaK) som en "borste" för att ge nästan kontinuerlig elektrisk kontakt.
Ändring
En nyligen föreslagen modifiering har varit att använda en plasmakontakt försedd med en neonstreamer med negativt motstånd som rör vid kanten av skivan eller trumman med hjälp av specialiserat kol med låg arbetsfunktion i vertikala ränder. Detta skulle ha fördelen av mycket lågt motstånd i det aktuella området, möjligen upp till tusentals ampere, utan kontakt med flytande metall.
Om magnetfältet skapas av en permanentmagnet fungerar generatorn oavsett om magneten är fäst vid statorn eller roterar med skivan. Innan upptäckten av elektronen och Lorentz kraftlag var detta fenomen oförklarligt och var känt som Faradays paradox.
Trumtyp
En homopolär generator av trumtyp har ett magnetfält (V) som strålar radiellt från trummans mitt och inducerar en spänning (V) längs hela dess längd. En ledande trumma som roterar ovanifrån i området för en magnet av typen "högtalare" med en pol i mitten och den andra som omger den, kan använda ledande kullager i toppen ochnedre delar för att fånga den genererade strömmen.
I naturen
Unipolära induktorer finns inom astrofysik, där ledaren roterar genom ett magnetfält, till exempel när ett starkt ledande plasma i jonosfären i en rymdkropp rör sig genom sitt magnetfält.
Unipolära induktorer har associerats med norrskenet från Uran, binära stjärnor, svarta hål, galaxer, Jupiters måne Io, månen, solvinden, solfläckar och den venusiska magnetsvansen.
Mekanismfunktioner
Som alla ovan nämnda rymdobjekt, omvandlar Faraday-skivan kinetisk energi till elektrisk energi. Denna maskin kan analyseras med hjälp av Faradays egen lag för elektromagnetisk induktion.
Denna lag i sin moderna form säger att den konstanta derivatan av magnetiskt flöde genom en sluten krets inducerar en elektromotorisk kraft i den, som i sin tur exciterar en elektrisk ström.
Ytantegralen som definierar det magnetiska flödet kan skrivas om som en linjär runt kretsen. Även om integranden för linjeintegralen inte beror på tid, eftersom Faraday-skivan som är en del av gränsen för linjeintegralen rör sig, är derivatan av den totala tiden inte noll och returnerar det korrekta värdet för beräkning av den elektromotoriska kraften. Alternativt kan skivan reduceras till en ledande ring runt dess omkrets med en enda metallekr som förbinder ringen med axeln.
Lorentz tvingar lagen lättareanvändas för att förklara maskinens beteende. Denna lag, formulerad trettio år efter Faradays död, säger att kraften på en elektron är proportionell mot korsprodukten av dess hastighet och den magnetiska flödesvektorn.
I geometriska termer betyder detta att kraften är riktad i rät vinkel mot både hastigheten (azimut) och det magnetiska flödet (axiellt), som därför är i radiell riktning. Den radiella rörelsen av elektroner i skivan orsakar en separation av laddningar mellan dess centrum och kant, och om kretsen är fullbordad genereras en elektrisk ström.
Elmotor
En unipolär motor är en likströmsenhet med två magnetiska poler, vars ledare alltid korsar enkelriktade magnetiska flödeslinjer och roterar ledaren runt en fast axel så att den är i rät vinkel mot det statiska magnetfältet. Den resulterande EMF (elektromotoriska kraften), som är kontinuerlig i en riktning, till en homopolär motor kräver ingen kommutator, men kräver fortfarande släpringar. Namnet "homopolär" indikerar att den elektriska polariteten hos ledaren och magnetfältets poler inte ändras (det vill säga att den inte kräver omkoppling).
Den unipolära motorn var den första elmotorn som byggdes. Dess handling demonstrerades av Michael Faraday 1821 vid Royal Institution i London.
Invention
År 1821, kort efter att den danske fysikern och kemisten Hans Christian Oersted upptäcktefenomenet elektromagnetism, Humphry Davy och den brittiske vetenskapsmannen William Hyde Wollaston försökte, men misslyckades, att utveckla en elektrisk motor. Faraday, omtvistad som ett skämt av Humphrey, fortsatte med att skapa två enheter för att skapa vad han kallade "elektromagnetisk rotation". En av dem, nu känd som den homopolära driften, skapade en kontinuerlig cirkulär rörelse. Det orsakades av en cirkulär magnetisk kraft runt en tråd placerad i en kvicksilverpöl där magneten placerades. Tråden skulle snurra runt magneten om den drevs av ett kemiskt batteri.
Dessa experiment och uppfinningar utgjorde grunden för modern elektromagnetisk teknik. Snart publicerade Faraday resultaten. Detta ansträngde relationerna med Davy på grund av hans avundsjuka på Faradays prestationer och fick den senare att vända sig till andra saker, vilket som ett resultat hindrade honom från att delta i elektromagnetisk forskning i flera år.
B. G. Lamm beskrev 1912 en homopolär maskin med en effekt på 2000 kW, 260 V, 7700 A och 1200 rpm med 16 släpringar som arbetar med en periferihastighet av 67 m/s. En 1125kW, 7,5V, 150 000A, 514rpm unipolär generator byggd 1934 installerades i ett amerikanskt stålverk för rörsvetsning.
Samma Lorentz-lag
Funktionen av denna motor liknar den för en chock unipolär generator. Den unipolära motorn drivs av Lorentz-kraften. En ledare med en ström som flyter genom den, när den placeras i ett magnetfält och vinkelrätt mot det, känner en kraft iriktning vinkelrät mot både magnetfältet och strömmen. Denna kraft ger ett vridmoment runt rotationsaxeln.
Eftersom det senare är parallellt med magnetfältet och motsatta magnetfält inte ändrar polaritet, krävs ingen omkoppling för att fortsätta rotera ledaren. Denna enkelhet uppnås enklast med enkelvarvskonstruktioner, vilket gör homopolära motorer olämpliga för de flesta praktiska tillämpningar.
Som de flesta elektromekaniska maskiner (som Neggeraths unipolära generator), är den homopolära motorn reversibel: om ledaren vrids mekaniskt kommer den att fungera som en homopolär generator, vilket skapar en DC-spänning mellan ledarens två terminaler.
Den konstanta strömmen är en konsekvens av designens homopolära natur. Homopolära generatorer (HPG) undersöktes omfattande i slutet av 1900-talet som källor till lågspänning men mycket hög ström likström, och nådde viss framgång i att driva experimentella järnvägsvapen.
Byggnad
Att göra en unipolär generator med dina egna händer är ganska enkelt. Den unipolära motorn är också mycket enkel att montera. Permanentmagneten används för att skapa ett externt magnetfält där ledaren kommer att rotera, och batteriet får ström att flyta längs den ledande tråden.
Det är inte nödvändigt för magneten att röra sig eller ens komma i kontakt med resten av motorn; dess enda syfte är att skapa ett magnetfält som gör detinteragera med ett liknande fält som induceras av ström i tråden. Det är möjligt att fästa en magnet på ett batteri och låta ledaren rotera fritt när den elektriska kretsen är klar, vidrör både toppen av batteriet och magneten som är fäst på batteriets undersida. Kabeln och batteriet kan bli varma under kontinuerlig användning.
