Unipolární generátor je stejnosměrný elektrický mechanismus obsahující elektricky vodivý kotouč nebo válec rotující v rovině. Mezi středem disku a okrajem (nebo konci válce) má potenciály různé síly s elektrickou polaritou, která závisí na směru otáčení a orientaci pole.
Je také známý jako unipolární Faradayův oscilátor. Napětí je obvykle nízké, řádově několik voltů v případě malých demonstračních modelů, ale velké výzkumné stroje mohou generovat stovky voltů a některé systémy mají vícenásobné sériové oscilátory pro ještě vyšší napětí. Jsou neobvyklé v tom, že mohou generovat elektrický proud, který je schopen přesáhnout milion ampér, protože unipolární generátor nemusí mít nutně vysoký vnitřní odpor.
Příběh vynálezu
První homopolární mechanismus vyvinul Michael Faraday během svých experimentů v roce 1831. Bývá označován jako Faradayův disk nebo kolo po něm. To byl začátek moderních dynamstroje, tedy elektrické generátory pracující na magnetickém poli. Byl velmi neefektivní a nepoužíval se jako praktický zdroj energie, ale ukázal možnost výroby elektřiny pomocí magnetismu a připravil cestu pro spínaná stejnosměrná dynama a poté alternátory.
Nevýhody prvního generátoru
Faradayův disk byl primárně neefektivní kvůli blížícím se tokům proudu. Princip činnosti unipolárního generátoru bude popsán pouze na jeho příkladu. Zatímco proud byl indukován přímo pod magnetem, proud cirkuloval v opačném směru. Zpětný tok omezuje výstupní výkon pro přijímací vodiče a způsobuje zbytečné zahřívání měděného disku. Pozdější homopolární generátory mohly tento problém vyřešit pomocí sady magnetů umístěných po obvodu disku, aby udržely konstantní pole po obvodu a eliminovaly oblasti, kde by mohlo docházet ke zpětnému toku.
Další vývoj
Krátce poté, co byl původní Faradayův disk zdiskreditován jako praktický generátor, byla vyvinuta upravená verze kombinující magnet a disk v jedné rotační části (rotor), ale samotná myšlenka nárazového unipolárního generátoru byla vyhrazena právě tomuto konfigurace. Jeden z prvních patentů na generické unipolární mechanismy získal A. F. Delafield, patent USA 278 516.
Výzkum vynikajících myslí
Další unipolární patenty s raným dopademgenerátory byly oceněny samostatně S. Z. De Ferranti a S. Batchelor. Nikola Tesla se zajímal o Faradayův disk a pracoval s homopolárními mechanismy a nakonec si nechal patentovat vylepšenou verzi zařízení v americkém patentu 406 968.
Patent "Dynamo Electric Machine" společnosti Tesla (unipolární generátor Tesla) popisuje uspořádání dvou paralelních disků se samostatnými paralelními hřídeli spojenými, jako řemenice, kovovým pásem. Každý disk měl pole opačné k druhému, takže proud procházel z jedné hřídele na okraj disku, přes pás k druhému okraji a na druhou hřídel. To by výrazně snížilo ztráty třením způsobené posuvnými kontakty, což by umožnilo oběma elektrickým senzorům interagovat s hřídelemi dvou disků spíše než s hřídelí a vysokorychlostním ráfkem.
Pozdější patenty byly uděleny S. P. Steinmetzovi a E. Thomsonovi za jejich práci na vysokonapěťových unipolárních generátorech. Forbes Dynamo, navržené skotským elektroinženýrem Georgem Forbesem, bylo široce používáno na počátku 20. století. Většinu vývoje homopolárních mechanismů patentoval J. E. Noeggerath a R. Eickemeyer.
50s
Homopolární generátory zažily renesanci v 50. letech 20. století jako zdroj pulzního ukládání energie. Tato zařízení využívala těžké disky jako formu setrvačníku k ukládání mechanické energie, kterou bylo možné rychle vhodit do experimentálního zařízení.
První příklad tohoto druhu zařízení vytvořil sir Mark Oliphant na Research SchoolFyzikální vědy a inženýrství z Australské národní univerzity. Uchovával až 500 megajoulů energie a byl používán jako zdroj ultravysokého proudu pro synchrotronové experimenty od roku 1962 až do jeho demontáže v roce 1986. Konstrukce Oliphantu byla schopna dodávat proudy až 2 megaampéry (MA).
Vyvinuto společností Parker Kinetic Designs
Ještě větší zařízení, jako je toto, navrhuje a vyrábí společnost Parker Kinetic Designs (dříve OIME Research & Development) z Austinu. Vyráběli zařízení pro různé účely, od napájení železničních pistolí po lineární motory (pro kosmické starty) a různé konstrukce zbraní. Bylo zavedeno 10 průmyslových vzorů MJ pro různé role včetně elektrického svařování.
Tato zařízení se skládala z vodivého setrvačníku, z nichž jeden se otáčel v magnetickém poli s jedním elektrickým kontaktem blízko osy a druhým blízko periferie. Používaly se ke generování velmi vysokých proudů při nízkém napětí v oblastech, jako je svařování, elektrolýza a výzkum railgun. V aplikacích s pulzní energií se moment hybnosti rotoru používá k dlouhodobému uložení energie a poté k jejímu uvolnění v krátké době.
Na rozdíl od jiných typů komutovaných unipolárních generátorů výstupní napětí nikdy nemění polaritu. Oddělení nábojů je výsledkem působení Lorentzovy síly na volné náboje v disku. Pohyb je azimutální a pole je axiální, takžeelektromotorická síla je radiální.
Elektrické kontakty jsou obvykle vytvořeny přes "kartáč" nebo sběrací kroužek, což má za následek vysoké ztráty při nízkém generovaném napětí. Některé z těchto ztrát lze snížit použitím rtuti nebo jiného snadno zkapalněného kovu nebo slitiny (gallium, NaK) jako „kartáče“zajišťujícího téměř nepřetržitý elektrický kontakt.
Úprava
Nedávno navrženou modifikací bylo použití plazmového kontaktu vybaveného neonovým streamerem s negativním odporem dotýkajícím se okraje disku nebo bubnu pomocí speciálního uhlíku s nízkou pracovní funkcí ve vertikálních proužcích. To by mělo výhodu velmi nízkého odporu v proudovém rozsahu, možná až tisíců ampérů, bez kontaktu s tekutým kovem.
Pokud je magnetické pole vytvářeno permanentním magnetem, generátor funguje bez ohledu na to, zda je magnet připevněn ke statoru nebo se otáčí s diskem. Před objevem elektronu a Lorentzova zákona síly byl tento jev nevysvětlitelný a byl znám jako Faradayův paradox.
Typ bubnu
Homopolární generátor bubnového typu má magnetické pole (V), které vyzařuje radiálně ze středu bubnu a indukuje napětí (V) po celé jeho délce. Vodivý buben otáčející se shora v oblasti magnetu typu „reproduktor“s jedním pólem uprostřed a druhým kolem něj může používat vodivá kuličková ložiska na svém vrcholu aspodní části k zachycení generovaného proudu.
V přírodě
Unipolární induktory se nacházejí v astrofyzice, kde se vodič otáčí magnetickým polem, například když se vysoce vodivé plazma v ionosféře vesmírného tělesa pohybuje jeho magnetickým polem.
Unipolární induktory jsou spojovány s uranskou polární září, dvojhvězdami, černými dírami, galaxiemi, Jupiterovým měsícem Io, Měsícem, slunečním větrem, slunečními skvrnami a Venušiným magnetickým ohonem.
Funkce mechanismu
Stejně jako všechny výše zmíněné vesmírné objekty přeměňuje Faradayův disk kinetickou energii na elektrickou energii. Tento stroj lze analyzovat pomocí Faradayova vlastního zákona elektromagnetické indukce.
Tento zákon ve své moderní podobě říká, že konstantní derivace magnetického toku uzavřeným obvodem v něm indukuje elektromotorickou sílu, která zase budí elektrický proud.
Povrchový integrál, který definuje magnetický tok, lze kolem obvodu přepsat jako lineární. Přestože integrand liniového integrálu nezávisí na čase, jelikož se Faradayův disk, který je součástí hranice liniového integrálu, pohybuje, derivace celkového času není nulová a vrací správnou hodnotu pro výpočet elektromotorické síly. Alternativně lze kotouč zredukovat na vodivý kroužek po jeho obvodu s jediným kovovým paprskem spojujícím kroužek s osou.
Zapalovač Lorentzova silového zákonapoužít k vysvětlení chování stroje. Tento zákon, formulovaný třicet let po Faradayově smrti, říká, že síla působící na elektron je úměrná křížovému součinu jeho rychlosti a vektoru magnetického toku.
V geometrickém vyjádření to znamená, že síla je směrována v pravém úhlu k rychlosti (azimutu) i magnetickému toku (axiálnímu), který je tedy v radiálním směru. Radiální pohyb elektronů v disku způsobí oddělení nábojů mezi jeho středem a okrajem, a pokud je obvod dokončen, generuje se elektrický proud.
Elektrický motor
Unipolární motor je stejnosměrné zařízení se dvěma magnetickými póly, jehož vodiče vždy křižují jednosměrné čáry magnetického toku a otáčejí vodič kolem pevné osy tak, aby byl v pravém úhlu ke statickému magnetickému poli. Výsledná EMF (elektromotorická síla), která je spojitá v jednom směru, k homopolárnímu motoru nevyžaduje komutátor, ale stále vyžaduje sběrací kroužky. Název "homopolární" znamená, že elektrická polarita vodiče a póly magnetického pole se nemění (to znamená, že nevyžaduje přepínání).
Unipolární motor byl prvním elektromotorem, který byl vyroben. Jeho působení bylo demonstrováno Michaelem Faradayem v roce 1821 v Royal Institution v Londýně.
Vynález
V roce 1821, krátce poté, co dánský fyzik a chemik Hans Christian Oersted objevilfenoménu elektromagnetismu se Humphry Davy a britský vědec William Hyde Wollaston pokusili vyvinout elektrický motor, ale selhali. Faraday, zpochybněný jako vtip Humphrey, pokračoval ve vytvoření dvou zařízení k vytvoření toho, co nazval „elektromagnetická rotace“. Jeden z nich, nyní známý jako homopolární pohon, vytvořil nepřetržitý kruhový pohyb. Bylo to způsobeno kruhovou magnetickou silou kolem drátu umístěného v kaluži rtuti, ve které byl magnet umístěn. Drát by se točil kolem magnetu, pokud by byl napájen chemickou baterií.
Tyto experimenty a vynálezy vytvořily základ moderních elektromagnetických technologií. Brzy Faraday zveřejnil výsledky. Toto napjaté vztahy s Davym kvůli jeho žárlivosti na Faradayovy úspěchy způsobilo, že se Faraday obrátil k jiným věcem, což mu v důsledku zabránilo v účasti na elektromagnetickém výzkumu na několik let.
B. G. Lamm popsal v roce 1912 homopolární stroj o výkonu 2000 kW, 260 V, 7700 A a 1200 ot./min s 16 sběracími kroužky pracujícími při obvodové rychlosti 67 m/s. Unipolární generátor o výkonu 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 ot./min. vyrobený v roce 1934 byl instalován v americké ocelárně pro svařování trubek.
Stejný Lorentzův zákon
Fungování tohoto motoru je podobné jako u rázového unipolárního generátoru. Unipolární motor je poháněn Lorentzovou silou. Vodič, kterým protéká proud, když je umístěn v magnetickém poli a kolmo k němu, cítí sílu vsměr kolmý k magnetickému poli i proudu. Tato síla poskytuje točivý moment kolem osy otáčení.
Vzhledem k tomu, že magnetické pole je rovnoběžné s magnetickým polem a protilehlá magnetická pole nemění polaritu, není nutné přepínání, aby bylo možné pokračovat v otáčení vodiče. Této jednoduchosti lze nejsnáze dosáhnout u jednootáčkových konstrukcí, takže homopolární motory nejsou vhodné pro většinu praktických aplikací.
Jako většina elektromechanických strojů (jako Neggerathův unipolární generátor) je homopolární motor reverzibilní: pokud se vodič mechanicky otočí, bude fungovat jako homopolární generátor a vytvoří stejnosměrné napětí mezi dvěma svorkami vodiče.
Konstantní proud je důsledkem homopolární povahy konstrukce. Homopolární generátory (HPG) byly rozsáhle zkoumány na konci 20. století jako zdroje nízkého napětí, ale velmi vysokého proudu stejnosměrného proudu a dosáhly určitého úspěchu při napájení experimentálních railgunů.
Building
Vyrobit unipolární generátor vlastníma rukama je docela jednoduché. Unipolární motor se také velmi snadno sestavuje. Permanentní magnet se používá k vytvoření vnějšího magnetického pole, ve kterém se bude vodič otáčet a baterie způsobí tok proudu podél vodivého drátu.
Není nutné, aby se magnet pohyboval nebo dokonce přišel do kontaktu se zbytkem motoru; jeho jediným účelem je vytvořit magnetické pole, které budeinteragovat s podobným polem indukovaným proudem v drátu. Je možné připevnit magnet k baterii a nechat vodič volně se otáčet, když je elektrický obvod dokončen, a dotýkat se jak horní části baterie, tak magnetu připojeného ke spodní části baterie. Kabel a baterie se mohou při nepřetržitém používání zahřát.
