Een unipolaire generator is een elektrisch gelijkstroommechanisme dat een elektrisch geleidende schijf of cilinder bevat die in een vlak roteert. Het heeft potentialen met verschillende vermogens tussen het midden van de schijf en de rand (of uiteinden van de cilinder) met elektrische polariteit, die afhangt van de draairichting en de oriëntatie van het veld.
Het is ook bekend als de unipolaire Faraday-oscillator. De spanning is meestal laag, in de orde van enkele volt in het geval van kleine demonstratiemodellen, maar grote onderzoeksmachines kunnen honderden volt genereren, en sommige systemen hebben meerdere serieoscillatoren voor nog hogere spanningen. Ze zijn ongebruikelijk omdat ze een elektrische stroom kunnen genereren die een miljoen ampère kan overschrijden, aangezien een unipolaire generator niet noodzakelijk een hoge interne weerstand heeft.
Uitvindingsverhaal
Het eerste homopolaire mechanisme werd ontwikkeld door Michael Faraday tijdens zijn experimenten in 1831. Het wordt vaak naar hem verwezen als een Faraday-schijf of -wiel. Dit was het begin van moderne dynamo'smachines, dat wil zeggen elektrische generatoren die op een magnetisch veld werken. Het was erg inefficiënt en werd niet gebruikt als een praktische krachtbron, maar toonde de mogelijkheid om elektriciteit op te wekken met behulp van magnetisme en maakte de weg vrij voor geschakelde gelijkstroomdynamo's en vervolgens dynamo's.
Nadelen van de eerste generator
De schijf van Faraday was voornamelijk inefficiënt vanwege de aankomende stroom. Het werkingsprincipe van een unipolaire generator zal alleen door zijn voorbeeld worden beschreven. Terwijl de stroom direct onder de magneet werd geïnduceerd, circuleerde de stroom in de tegenovergestelde richting. De terugstroom beperkt het uitgangsvermogen voor de ontvangende draden en veroorzaakt onnodige verwarming van de koperen schijf. Latere homopolaire generatoren zouden dit probleem kunnen oplossen met een set magneten die rond de omtrek van de schijf zijn geplaatst om een constant veld rond de omtrek te behouden en gebieden te elimineren waar terugstroming zou kunnen optreden.
Verdere ontwikkelingen
Kort nadat de originele Faraday-schijf in diskrediet was gebracht als een praktische generator, werd een aangepaste versie ontwikkeld die magneet en schijf in één roterend onderdeel (rotor) combineert, maar het idee van een unipolaire impactgenerator was hiervoor gereserveerd configuratie. Een van de vroegste octrooien voor generieke unipolaire mechanismen werd verkregen door A. F. Delafield, Amerikaans octrooischrift 278.516.
Onderzoek van uitmuntende geesten
Andere unipolaire patenten met vroege impactde generatoren werden afzonderlijk toegekend aan S. Z. De Ferranti en S. Batchelor. Nikola Tesla was geïnteresseerd in de Faraday-schijf en werkte met homopolaire mechanismen, en patenteerde uiteindelijk een verbeterde versie van het apparaat in Amerikaans octrooi 406.968.
Tesla's "Dynamo Electric Machine"-octrooi (Tesla's unipolaire generator) beschrijft een opstelling van twee parallelle schijven met afzonderlijke parallelle assen die als katrollen zijn verbonden door een metalen riem. Elke schijf had een veld tegenover de andere, zodat de stroom van de ene schacht naar de rand van de schijf ging, door de band naar de andere rand en naar de tweede schacht. Dit zou de wrijvingsverliezen die worden veroorzaakt door de glijdende contacten aanzienlijk verminderen, waardoor beide elektrische sensoren kunnen communiceren met de assen van de twee schijven in plaats van de as en de hogesnelheidsvelg.
Latere patenten werden toegekend aan S. P. Steinmetz en E. Thomson voor hun werk aan unipolaire hoogspanningsgeneratoren. De Forbes Dynamo, ontworpen door de Schotse elektrotechnisch ingenieur George Forbes, werd in het begin van de 20e eeuw veel gebruikt. De meeste ontwikkelingen in homopolaire mechanismen zijn gepatenteerd door J. E. Noeggerath en R. Eickemeyer.
50s
Homopolaire generatoren beleefden een renaissance in de jaren vijftig als een bron van gepulseerde energieopslag. Deze apparaten gebruikten zware schijven als een soort vliegwiel om mechanische energie op te slaan die snel in het experimentele apparaat kon worden gedumpt.
Een vroeg voorbeeld van dit soort apparaat is gemaakt door Sir Mark Oliphant van de Research SchoolPhysical Sciences and Engineering van de Australian National University. Het sloeg tot 500 megajoule aan energie op en werd gebruikt als een ultrahoge stroombron voor synchrotron-experimenten van 1962 tot het in 1986 werd ontmanteld. Het ontwerp van Oliphant was in staat om stromen tot 2 megaampère (MA) te leveren.
Ontwikkeld door Parker Kinetic Designs
Zelfs grotere apparaten zoals deze zijn ontworpen en gebouwd door Parker Kinetic Designs (voorheen OIME Research & Development) uit Austin. Ze produceerden apparaten voor verschillende doeleinden, van het aandrijven van spoorwegpistolen tot lineaire motoren (voor ruimtelanceringen) en verschillende wapenontwerpen. Er zijn 10 industriële ontwerpen van MJ geïntroduceerd voor verschillende rollen, waaronder elektrisch lassen.
Deze apparaten bestonden uit een geleidend vliegwiel, waarvan er één in een magnetisch veld roteerde met één elektrisch contact nabij de as en het andere nabij de periferie. Ze zijn gebruikt om zeer hoge stromen te genereren bij lage spanningen in gebieden zoals lassen, elektrolyse en railgun-onderzoek. Bij toepassingen met gepulseerde energie wordt het impulsmoment van de rotor gebruikt om energie voor een lange periode op te slaan en vervolgens in korte tijd weer vrij te geven.
In tegenstelling tot andere typen gecommuteerde unipolaire generatoren, keert de uitgangsspanning nooit de polariteit om. De scheiding van ladingen is het resultaat van de werking van de Lorentzkracht op de vrije ladingen in de schijf. De beweging is azimutaal en het veld is axiaal, duselektromotorische kracht is radiaal.
Elektrische contacten worden meestal gemaakt via een "borstel" of sleepring, wat resulteert in hoge verliezen bij de gegenereerde lage spanningen. Sommige van deze verliezen kunnen worden verminderd door kwik of een ander gemakkelijk vloeibaar te maken metaal of legering (gallium, NaK) als een "borstel" te gebruiken om een bijna continu elektrisch contact te bieden.
Wijziging
Een recent voorgestelde wijziging was het gebruik van een plasmacontact uitgerust met een neon-streamer met negatieve weerstand die de rand van de schijf of trommel raakt met behulp van speciale koolstof met een lage werkfunctie in verticale strepen. Dit zou het voordeel hebben van een zeer lage weerstand in het huidige bereik, mogelijk tot duizenden ampère, zonder contact met vloeibaar metaal.
Als het magnetische veld wordt gecreëerd door een permanente magneet, werkt de generator ongeacht of de magneet aan de stator is bevestigd of met de schijf meedraait. Vóór de ontdekking van het elektron en de krachtwet van Lorentz was dit fenomeen onverklaarbaar en stond het bekend als de paradox van Faraday.
Drumtype
Een homopolaire generator van het trommeltype heeft een magnetisch veld (V) dat radiaal vanuit het midden van de trommel stra alt en over de gehele lengte een spanning (V) induceert. Een geleidende trommel die van bovenaf ronddraait in het gebied van een magneet van het "luidspreker"-type met één pool in het midden en de andere eromheen, kan geleidende kogellagers gebruiken aan de bovenkant enlagere delen om de gegenereerde stroom op te vangen.
In de natuur
Unipolaire inductoren worden gevonden in de astrofysica, waarbij de geleider door een magnetisch veld roteert, bijvoorbeeld wanneer een sterk geleidend plasma in de ionosfeer van een ruimtelichaam door zijn magnetische veld beweegt.
Unipolaire inductoren zijn in verband gebracht met de Uranische aurora, dubbelsterren, zwarte gaten, sterrenstelsels, Jupiters maan Io, de maan, de zonnewind, zonnevlekken en de magnetische staart van Venus.
Mechanismekenmerken
Zoals alle bovengenoemde ruimtevoorwerpen, zet de Faraday-schijf kinetische energie om in elektrische energie. Deze machine kan worden geanalyseerd met behulp van Faraday's eigen wet van elektromagnetische inductie.
Deze wet in zijn moderne vorm stelt dat de constante afgeleide van magnetische flux door een gesloten circuit een elektromotorische kracht induceert, die op zijn beurt een elektrische stroom opwekt.
De oppervlakte-integraal die de magnetische flux definieert, kan worden herschreven als een lineaire rond het circuit. Hoewel de integrand van de lijnintegraal niet afhangt van de tijd, aangezien de Faraday-schijf die deel uitmaakt van de grens van de lijnintegraal beweegt, is de afgeleide van de totale tijd niet nul en geeft de juiste waarde terug voor het berekenen van de elektromotorische kracht. Als alternatief kan de schijf worden gereduceerd tot een geleidende ring rond zijn omtrek met een enkele metalen spaak die de ring met de as verbindt.
Lorentz krachtwet aanstekerworden gebruikt om het gedrag van de machine te verklaren. Deze wet, opgesteld dertig jaar na de dood van Faraday, stelt dat de kracht op een elektron evenredig is met het uitwendige product van zijn snelheid en de magnetische fluxvector.
In geometrische termen betekent dit dat de kracht loodrecht gericht is op zowel de snelheid (azimut) als de magnetische flux (axiaal), die dus in radiale richting is. De radiale beweging van elektronen in de schijf veroorzaakt een scheiding van ladingen tussen het centrum en de rand, en als het circuit is voltooid, wordt een elektrische stroom gegenereerd.
Elektrische motor
Een unipolaire motor is een gelijkstroomapparaat met twee magnetische polen, waarvan de geleiders altijd unidirectionele magnetische fluxlijnen kruisen, waarbij de geleider rond een vaste as wordt gedraaid zodat deze loodrecht op het statische magnetische veld staat. De resulterende EMF (elektromotorische kracht), die continu in één richting is, naar een homopolaire motor vereist geen commutator, maar vereist nog steeds sleepringen. De naam "homopolair" geeft aan dat de elektrische polariteit van de geleider en de polen van het magnetische veld niet veranderen (dat wil zeggen dat het niet hoeft te worden geschakeld).
De unipolaire motor was de eerste elektrische motor die werd gebouwd. Zijn actie werd gedemonstreerd door Michael Faraday in 1821 bij de Royal Institution in Londen.
Uitvinding
In 1821, kort nadat de Deense natuurkundige en scheikundige Hans Christian Oersted ontdektefenomeen van elektromagnetisme, probeerden Humphry Davy en de Britse wetenschapper William Hyde Wollaston, maar faalden, om een elektromotor te ontwikkelen. Faraday, betwist als een grap door Humphrey, ging verder met het maken van twee apparaten om te creëren wat hij "elektromagnetische rotatie" noemde. Een van hen, nu bekend als de homopolaire aandrijving, creëerde een continue cirkelvormige beweging. Het werd veroorzaakt door een cirkelvormige magnetische kracht rond een draad die in een plas kwik was geplaatst waarin de magneet was geplaatst. De draad zou om de magneet draaien als deze door een chemische batterij zou worden gevoed.
Deze experimenten en uitvindingen vormden de basis van moderne elektromagnetische technologieën. Al snel publiceerde Faraday de resultaten. Dit zorgde voor spanningen in de relatie met Davy vanwege zijn jaloezie op de prestaties van Faraday en zorgde ervoor dat deze zich tot andere dingen wendde, waardoor hij jarenlang niet aan elektromagnetisch onderzoek kon deelnemen.
B. G. Lamm beschreef in 1912 een homopolaire machine met een vermogen van 2000 kW, 260 V, 7700 A en 1200 tpm met 16 sleepringen die werken met een omtreksnelheid van 67 m/s. Een unipolaire generator van 1125 kW, 7,5 V, 150.000 A en 514 tpm, gebouwd in 1934, werd geïnstalleerd in een Amerikaanse staalfabriek voor het lassen van pijpen.
Dezelfde Lorentz-wet
De werking van deze motor is vergelijkbaar met die van een unipolaire schokgenerator. De unipolaire motor wordt aangedreven door de Lorentzkracht. Een geleider waar een stroom doorheen vloeit, voelt, wanneer hij in een magnetisch veld staat en er loodrecht op staat, een kracht inrichting loodrecht op zowel het magnetische veld als de stroom. Deze kracht zorgt voor een draaimoment rond de rotatie-as.
Aangezien de laatste parallel is aan het magnetische veld en tegengestelde magnetische velden de polariteit niet veranderen, is schakelen niet nodig om de geleider te blijven draaien. Deze eenvoud wordt het gemakkelijkst bereikt met ontwerpen met één slag, waardoor homopolaire motoren ongeschikt zijn voor de meeste praktische toepassingen.
Zoals de meeste elektromechanische machines (zoals de unipolaire generator van Neggerath), is de homopolaire motor omkeerbaar: als de geleider mechanisch wordt gedraaid, zal hij werken als een homopolaire generator, waardoor een gelijkspanning ontstaat tussen de twee klemmen van de geleider.
De constante stroom is een gevolg van het homopolaire karakter van het ontwerp. Homopolaire generatoren (HPG's) werden aan het eind van de 20e eeuw uitgebreid onderzocht als bronnen van gelijkstroom met een laag voltage maar met een zeer hoge stroomsterkte, en behaalden enig succes bij het aandrijven van experimentele railguns.
Gebouw
Een unipolaire generator met je eigen handen maken is vrij eenvoudig. De unipolaire motor is ook zeer eenvoudig te monteren. De permanente magneet wordt gebruikt om een extern magnetisch veld te creëren waarin de geleider zal roteren, en de batterij zorgt ervoor dat stroom langs de geleidende draad vloeit.
Het is niet nodig dat de magneet beweegt of zelfs maar in contact komt met de rest van de motor; het enige doel is om een magnetisch veld te creëren datinterageren met een soortgelijk veld geïnduceerd door stroom in de draad. Het is mogelijk om een magneet aan een batterij te bevestigen en de geleider vrij te laten draaien als het elektrische circuit is voltooid, waarbij zowel de bovenkant van de batterij als de magneet aan de onderkant van de batterij wordt geraakt. De draad en batterij kunnen warm worden tijdens continu gebruik.
