Униполярный генератор представляет собой электрический механизм постоянного тока, содержащий электропроводящий диск или цилиндр, вращающийся в плоскости. Имеет различные по мощности потенциалы между центром диска и ободом (или концами цилиндра) с электрической полярностью, которая зависит от направления вращения и ориентации поля.
Он также известен как униполярный генератор Фарадея. Напряжение, как правило, низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские машины могут генерировать сотни вольт, а некоторые системы имеют несколько последовательных генераторов для получения еще большего напряжения. Они необычны тем, что могут генерировать электрический ток, который способен превышать миллион ампер, поскольку униполярный генератор вовсе не обязательно имеет высокое внутреннее сопротивление.
История изобретения
Первый гомополярный механизм был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют диском или колесом Фарадея в его честь. Это было начало современных динамо-машин, то есть электрических генераторов, работающих на магнитном поле. Он был очень неэффективным и не использовался в качестве практического источника энергии, но показал возможность выработки электричества с помощью магнетизма и проложил путь к коммутируемым динамо-источникам постоянного тока, а затем к генераторам переменного тока.
Недостатки первого генератора
Диск Фарадея был в первую очередь неэффективен из-за встречных потоков тока. Принцип работы униполярного генератора будет описан как раз на его примере. В то время как поток тока индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении. Противоток ограничивает выходную мощность для приемных проводов и вызывает ненужный нагрев медного диска. Более поздние гомополярные генераторы могли бы решить эту проблему с помощью набора магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания постоянного поля по окружности и устранения областей, в которых может возникнуть противоток.
Дальнейшие разработки
Вскоре после того, как оригинальный диск Фарадея был дискредитирован как практический генератор, была разработана модифицированная версия, сочетающая магнит и диск в одной вращающейся части (роторе), но сама идея ударного униполярного генератора была зарезервирована для этой конфигурации. Один из самых ранних патентов на униполярные механизмы общего типа был получен A. F. Delafield, патент США 278 516.
Исследования выдающихся умов
Другие ранние патенты на ударные униполярные генераторы были присуждены С. З. Де Ферранти и С. Батчелору отдельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и проводил работу с гомополярными механизмами, и в итоге запатентовал улучшенную версию устройства в патенте США 406 968.
Патент Tesla "Dynamo Electric Machine" (униполярный генератор Тесла) описывает расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенными, подобно шкивам, металлическим ремнем. Каждый диск имел поле, противоположное другому, так что поток тока проходил от одного вала к краю диска через ремень к другому краю и ко второму валу. Это значительно уменьшило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, позволяя обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом.
Позже патенты были присуждены С. П. Штайнмецу и Э. Томсону за их работу с униполярными генераторами высокого напряжения. Динамо Forbes, разработанное шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом, широко использовалось в начале ХХ века. Большая часть разработок, выполненных в гомополярных механизмах, была запатентована J.E. Noeggerath и R. Eickemeyer.
50-е годы
Гомополярные генераторы пережили ренессанс в 1950-х годах в качестве источника импульсного накопителя энергии. Эти устройства использовали тяжелые диски как форму маховика для хранения механической энергии, которую можно было быстро сбросить в экспериментальный аппарат.
Ранний пример такого рода устройства был создан сэром Марком Олифантом в Научно-исследовательской школе физических наук и инженерии Австралийского национального университета. В нем хранилось до 500 мегаджоулей энергии, и он использовался в качестве источника сверхвысокого тока для экспериментов с синхротроном с 1962 года до его разборки в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна подавать токи до 2 мегаампер (МА).
Разработка корпорации Parker Kinetic Designs
Подобные устройства еще большего размера спроектированы и изготовлены компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производили устройства для самых разных целей: от питания железнодорожных пистолетов до линейных двигателей (для космических запусков) и различных конструкций оружия. Промышленные образцы на 10 МДж были введены для различных ролей, включая электросварку.
Эти устройства состояли из проводящего маховика, один из которых вращался в магнитном поле с одним электрическим контактом около оси, а другой - около периферии. Они использовались для генерации очень высоких токов при низких напряжениях в таких областях, как сварка, электролиз и исследование рельсовых пушек. В приложениях с импульсной энергией угловой момент ротора применяется для накопления энергии в течение длительного периода, а затем для ее высвобождения за короткое время.
В отличие от других типов униполярных генераторов с коммутатором, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов является результатом действия силы Лоренца на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, а поле осевое, поэтому электродвижущая сила радиальная.
Электрические контакты обычно выполняются через «щетку» или контактное кольцо, что приводит к большим потерям при генерируемых низких напряжениях. Некоторые из этих потерь могут быть уменьшены путем использования ртути или другого легко сжиженного металла, или сплава (галлий, NaK) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.
Модификация
Недавно предложенная модификация заключалась в использовании плазменного контакта, снабженного неоновым стримером с отрицательным сопротивлением, касающегося края диска или барабана, с использованием специализированного углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Это имело бы преимущество очень низкого сопротивления в диапазоне тока, возможно, до тысяч ампер без контакта с жидким металлом.
Если магнитное поле создается постоянным магнитом, генератор работает независимо от того, прикреплен ли магнит к статору или вращается вместе с диском. До открытия электрона и закона силы Лоренца это явление было необъяснимым и было известно, как парадокс Фарадея.
"Барабанный тип"
Гомополярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (В), которое излучается радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по всей его длине. Проводящий барабан, вращающийся сверху в области магнита типа «громкоговоритель», у которого один полюс находится в центре, а другой окружает его, может использовать проводящие шарикоподшипники в своих верхней и нижней частях для захвата генерируемого тока.
В природе
Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается через магнитное поле, например, при движении высокопроводящей плазмы в ионосфере космического тела через его магнитное поле.
Униполярные индукторы были связаны с сиянием на Уране, двойными звездами, черными дырами, галактиками, спутником Юпитера Ио, Луной, Солнечным ветром, солнечными пятнами, и венерианским магнитным хвостом.
Особенности механизма
Как и все вышеупомянутые космические объекты, диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую. Эта машина может быть проанализирована с использованием собственного закона электромагнитной индукции Фарадея.
Этот закон в его современной форме утверждает, что постоянная производная магнитного потока через замкнутую цепь индуцирует в ней электродвижущую силу, которая, в свою очередь, возбуждает электрический ток.
Поверхностный интеграл, который определяет магнитный поток, может быть переписан как линейный вокруг схемы. Хотя подынтегральное выражение интеграла от линии не зависит от времени, так как диск Фарадея, который является частью границы линейного интеграла, движется, производная полного времени не равна нулю и возвращает правильное значение для расчета электродвижущей силы. Альтернативно диск может быть уменьшен до проводящего кольца по его окружности с помощью единственной металлической спицы, соединяющей кольцо с осью.
Закон силы Лоренца легче использовать для объяснения поведения машины. Этот закон, сформулированный через тридцать лет после смерти Фарадея, утверждает, что сила на электроне пропорциональна перекрестному произведению его скорости и вектору магнитного потока.
В геометрическом выражении это означает, что сила направлена под прямым углом как к скорости (азимутальной), так и к магнитному потоку (осевой), которая поэтому находится в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске вызывает разделение зарядов между его центром и ободом, и, если цепь замыкается, возникает электрический ток.
Электродвигатель
Однополярный электродвигатель - это устройство постоянного тока с двумя магнитными полюсами, проводники которого всегда пересекают однонаправленные линии магнитного потока, вращая проводник вокруг неподвижной оси так, чтобы он находился под прямым углом к статическому магнитному полю. Результирующая ЭДС (электродвижущая сила), являющаяся непрерывной в одном направлении, гомополярному двигателю не требует коммутатора, но все же требует контактных колец. Название «гомополярный» указывает на то, что электрическая полярность проводника и полюсов магнитного поля не изменяются (то есть, что он не требует коммутации).
Однополярный двигатель был первым электромотором, который был построен. Его действие было продемонстрировано Майклом Фарадеем в 1821 году в Королевском институте в Лондоне.
Изобретение
В 1821 году, вскоре после того, как датский физик и химик Ханс Кристиан Эрстед открыл феномен электромагнетизма, Хамфри Дэви и британский ученый Уильям Хайд Волластон попытались, но не смогли, разработать электрический двигатель. Фарадей, которого Хамфри оспаривал как шутку, продолжил создавать два устройства для создания так называемого «электромагнитного вращения». Один из них, теперь известный как гомополярный двигатель, создал непрерывное круговое движение. Оно было вызвано круговой магнитной силой вокруг провода, положенного в лужу ртути, в которую был помещен магнит. Провод вращался бы вокруг магнита, если бы был снабжен током от химической батареи.
Эти эксперименты и изобретения легли в основу современных электромагнитных технологий. В скором времени Фарадей опубликовал результаты. Это обострило отношения с Дэви из-за его ревности к достижениям Фарадея и стало причиной того, что последний занялся другими делами, что в результате несколько лет препятствовало его участию в электромагнитных исследованиях.
Б. Г. Ламм описал в 1912 году гомополярную машину мощностью 2000 кВт, 260 В, 7700 А и 1200 об/мин с 16 контактными кольцами, работающими при периферийной скорости 67 м/с. Униполярный генератор мощностью 1125 кВт, 7,5 В, 150 000 А, 514 об/мин, построенный в 1934 году, был установлен на американском сталелитейном заводе для сварки труб.
Тот самый закон Лоренца
Эксплуатация этого двигателя схожа с принципом работы ударного униполярного генератора. Однополярный двигатель приводится в действие силой Лоренца. Проводник с током, текущим через него, когда он помещен в магнитное поле и перпендикулярен ему, ощущает силу в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и току. Эта сила обеспечивает оборотный момент вокруг оси вращения.
Поскольку последняя параллельна магнитному полю, а противоположные магнитные поля не меняют полярность, для продолжения вращения проводника коммутация не требуется. Эту простоту легче всего достичь с помощью однооборотных конструкций, что делает гомополярные двигатели непригодными для большинства практических применений.
Как и большинство электромеханических машин (вроде униполярного генератора Неггерата), гомополярный двигатель является обратимым: если проводник поворачивается механически, то он будет работать как гомополярный генератор, создавая напряжение постоянного тока между двумя выводами проводника.
Постоянный ток является следствием гомополярной природы дизайна. Гомополярные генераторы (HPG) были тщательно исследованы в конце 20-го века в качестве источников постоянного тока низкого напряжения, но с очень высоким током, и достигли некоторого успеха в питании экспериментальных рельсовых пушек.
Строение
Сделать униполярный генератор своими руками довольно просто. Однополярный мотор также очень прост в сборке. Постоянный магнит используется для создания внешнего магнитного поля, в котором будет вращаться проводник, и батарея заставляет ток течь вдоль проводящего провода.
Нет необходимости, чтобы магнит двигался или даже контактировал с остальной частью двигателя; его единственная цель - создать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с аналогичным полем, индуцированным током в проводе. Можно прикрепить магнит к батарее и позволить проводнику свободно вращаться при замыкании электрической цепи, касаясь как верхней части батареи, так и магнита, прикрепленного к нижней ее части. Провод и батарея могут нагреваться при непрерывной работе.
