Unipolārs ģenerators ir līdzstrāvas elektrisks mehānisms, kas satur elektriski vadošu disku vai cilindru, kas rotē plaknē. Tam ir dažādas jaudas potenciāli starp diska centru un loku (vai cilindra galiem) ar elektrisko polaritāti, kas ir atkarīga no griešanās virziena un lauka orientācijas.
To sauc arī par vienpolāru Faradeja oscilatoru. Spriegums parasti ir zems, apmēram dažu voltu apmērā mazu demonstrācijas modeļu gadījumā, taču lielas pētniecības iekārtas var radīt simtiem voltu, un dažām sistēmām ir vairākas sērijas oscilatori vēl lielākam spriegumam. Tie ir neparasti, jo tie var radīt elektrisko strāvu, kas var pārsniegt miljonu ampēru, jo vienpolāram ģeneratoram ne vienmēr ir liela iekšējā pretestība.
Izgudrojumu stāsts
Pirmo homopolāro mehānismu 1831. gadā eksperimentu laikā izstrādāja Maikls Faradejs. Pēc viņa to bieži dēvē par Faradeja disku vai riteni. Tas bija mūsdienu dinamo sākumsmašīnas, tas ir, elektriskie ģeneratori, kas darbojas uz magnētiskā lauka. Tas bija ļoti neefektīvs un netika izmantots kā praktisks strāvas avots, taču parādīja iespēju ģenerēt elektroenerģiju, izmantojot magnētismu, un pavēra ceļu pārslēgtām līdzstrāvas dinamām un pēc tam ģeneratoriem.
Pirmā ģeneratora trūkumi
Faraday disks galvenokārt bija neefektīvs tuvojošos strāvas plūsmu dēļ. Unipolārā ģeneratora darbības princips tiks aprakstīts tikai tā piemērā. Kamēr strāvas plūsma tika inducēta tieši zem magnēta, strāva cirkulēja pretējā virzienā. Atpakaļplūsma ierobežo uztveršanas vadu izejas jaudu un izraisa nevajadzīgu vara diska sildīšanu. Vēlāk homopolārie ģeneratori varētu atrisināt šo problēmu, izmantojot magnētu komplektu, kas novietots ap diska perimetru, lai uzturētu nemainīgu lauku ap apkārtmēru un novērstu zonas, kur varētu rasties atpakaļplūsma.
Turpmākā attīstība
Neilgi pēc tam, kad sākotnējais Faraday disks tika diskreditēts kā praktisks ģenerators, tika izstrādāta modificēta versija, apvienojot magnētu un disku vienā rotējošā daļā (rotorā), bet pati ideja par trieciena unipolāru ģeneratoru tika rezervēta šim. konfigurācija. Vienu no pirmajiem patentiem vispārējiem vienpolāriem mehānismiem ieguva A. F. Delafield, ASV patents Nr. 278 516.
Izcilu prātu izpēte
Citi agrīnas ietekmes vienpolāri patentiģeneratori tika atsevišķi piešķirti S. Z. De Ferranti un S. Batchelor. Nikola Tesla interesējās par Faradeja disku un strādāja ar homopolāriem mehānismiem, un galu galā patentēja uzlabotu ierīces versiju ar ASV patentu 406 968.
Teslas “Dynamo Electric Machine” patents (Teslas vienpolārais ģenerators) apraksta divu paralēlu disku izkārtojumu ar atsevišķām paralēlām vārpstām, kas savienotas, piemēram, skriemeļus, ar metāla siksnu. Katram diskam bija lauks, kas ir pretējs otram, tā ka strāvas plūsma no vienas vārpstas virzījās uz diska malu, caur jostu uz otru malu un uz otro vārpstu. Tas ievērojami samazinātu berzes zudumus, ko izraisa bīdāmie kontakti, ļaujot abiem elektriskajiem sensoriem mijiedarboties ar divu disku vārpstām, nevis ar vārpstu un ātrgaitas loku.
Vēlāk patenti tika piešķirti S. P. Steinmetz un E. Thomson par darbu pie augstsprieguma vienpolāriem ģeneratoriem. Forbes Dynamo, ko projektējis skotu elektroinženieris Džordžs Forbss, plaši izmantoja 20. gadsimta sākumā. Lielāko daļu homopolāro mehānismu izstrādes ir patentējis J. E. Noeggerath un R. Eickemeyer.
50. gadi
Homopolārie ģeneratori piedzīvoja renesansi 1950. gados kā impulsu enerģijas uzkrāšanas avots. Šajās ierīcēs tika izmantoti smagie diski kā spararata forma, lai uzglabātu mehānisko enerģiju, ko varēja ātri ievadīt eksperimentālajā aparātā.
Agrāko šāda veida ierīces piemēru izveidoja sers Marks Olifants pētniecības skolāFiziskās zinātnes un inženierzinātnes no Austrālijas Nacionālās universitātes. Tas uzglabāja līdz 500 megadžouliem enerģijas un tika izmantots kā īpaši augstas strāvas avots sinhrotronu eksperimentiem no 1962. gada līdz tā demontāžai 1986. gadā. Oliphant dizains spēja nodrošināt strāvu līdz 2 megaampēriem (MA).
Izstrādāja Parker Kinetic Designs
Pat lielākas, piemēram, šīs ierīces, ir projektējis un konstruējis uzņēmums Parker Kinetic Designs (iepriekš OIME Research & Development) no Ostinas. Viņi ražoja ierīces dažādiem mērķiem, sākot no dzelzceļa pistoļu darbināšanas līdz lineāriem dzinējiem (palaišanai kosmosā) un dažādiem ieroču dizainiem. Ir ieviesti 10 MJ rūpnieciskie dizaini dažādiem uzdevumiem, tostarp elektriskajai metināšanai.
Šīs ierīces sastāvēja no vadoša spararata, no kuriem viens griezās magnētiskajā laukā ar vienu elektrisko kontaktu pie ass, bet otrs - perifērijā. Tie ir izmantoti, lai radītu ļoti lielas strāvas pie zema sprieguma tādās jomās kā metināšana, elektrolīze un sliežu ieroču izpēte. Impulsu enerģijas lietojumos rotora leņķiskais impulss tiek izmantots, lai ilgstoši uzglabātu enerģiju un pēc tam to īsā laikā atbrīvotu.
Atšķirībā no cita veida komutētiem unipolāriem ģeneratoriem, izejas spriegums nekad nemaina polaritāti. Lādiņu atdalīšana ir Lorenca spēka iedarbības rezultāts uz diskā esošajiem brīvajiem lādiņiem. Kustība ir azimutāla, un lauks ir aksiāls, tātadelektromotora spēks ir radiāls.
Elektriskie kontakti parasti tiek izveidoti, izmantojot "birsti" vai slīdgredzenu, kā rezultātā rodas lieli zudumi pie radītā zemā sprieguma. Dažus no šiem zudumiem var samazināt, izmantojot dzīvsudrabu vai citu viegli sašķidrināmu metālu vai sakausējumu (galiju, NaK) kā "otu", lai nodrošinātu gandrīz nepārtrauktu elektrisko kontaktu.
Modifikācija
Nesen ierosinātā modifikācija ir izmantot plazmas kontaktu, kas aprīkots ar negatīvas pretestības neona straumi, kas pieskaras diska vai cilindra malai, izmantojot specializētu zemas darbības oglekli vertikālās svītrās. Tā priekšrocība būtu ļoti zema pretestība pašreizējā diapazonā, iespējams, līdz pat tūkstošiem ampēru, bez saskares ar šķidru metālu.
Ja magnētisko lauku rada pastāvīgais magnēts, ģenerators darbojas neatkarīgi no tā, vai magnēts ir piestiprināts pie statora vai griežas kopā ar disku. Pirms elektrona un Lorenca spēka likuma atklāšanas šī parādība bija neizskaidrojama un bija pazīstama kā Faradeja paradokss.
Bungas veids
Bungas tipa homopolārajam ģeneratoram ir magnētiskais lauks (V), kas radiāli izstaro no cilindra centra un inducē spriegumu (V) visā tā garumā. Vadītspējīgs cilindrs, kas rotē no augšas "skaļruņa" tipa magnēta zonā ar vienu polu centrā un otrs to apņem, var izmantot vadošus lodīšu gultņus tā augšpusē unapakšējās daļas, lai uztvertu ģenerēto strāvu.
Dabā
Vienpolārie induktori ir sastopami astrofizikā, kur vadītājs griežas caur magnētisko lauku, piemēram, kad augsti vadītspējīga plazma kosmosa ķermeņa jonosfērā pārvietojas pa tā magnētisko lauku.
Vienpolārie induktori ir saistīti ar Urāna polārblāzmu, binārzvaigznēm, melnajiem caurumiem, galaktikām, Jupitera pavadoni Io, Mēnesi, saules vēju, saules plankumiem un Venēras magnētisko asti.
Mehānisma funkcijas
Tāpat kā visi iepriekš minētie kosmosa objekti, Faradeja disks pārvērš kinētisko enerģiju elektroenerģijā. Šo iekārtu var analizēt, izmantojot paša Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likumu.
Šis likums tā mūsdienu formā nosaka, ka pastāvīgs magnētiskās plūsmas atvasinājums caur slēgtu ķēdi inducē tajā elektromotora spēku, kas savukārt ierosina elektrisko strāvu.
Virsmas integrāli, kas nosaka magnētisko plūsmu, var pārrakstīt kā lineāru ap ķēdi. Lai gan līnijas integrāļa integrāds nav atkarīgs no laika, jo Faradeja disks, kas ir daļa no līnijas integrāļa robežas, pārvietojas, kopējā laika atvasinājums nav nulle un atgriež pareizo vērtību elektromotora spēka aprēķināšanai. Alternatīvi, disku var samazināt līdz vadošam gredzenam ap tā apkārtmēru, izmantojot vienu metāla spieķi, kas savieno gredzenu ar asi.
Lorenca spēka likuma šķiltavasvar izmantot, lai izskaidrotu iekārtas uzvedību. Šis likums, kas formulēts trīsdesmit gadus pēc Faradeja nāves, nosaka, ka spēks uz elektronu ir proporcionāls tā ātruma un magnētiskās plūsmas vektora krustojumam.
Ģeometriskā izteiksmē tas nozīmē, ka spēks ir vērsts taisnā leņķī gan pret ātrumu (azimutu), gan pret magnētisko plūsmu (aksiāli), kas tādējādi ir radiālā virzienā. Elektronu radiālā kustība diskā izraisa lādiņu atdalīšanu starp tā centru un malu, un, ja ķēde ir pabeigta, tiek ģenerēta elektriskā strāva.
Elektromotors
Unipolārs motors ir līdzstrāvas ierīce ar diviem magnētiskiem poliem, kuru vadītāji vienmēr šķērso vienvirziena magnētiskās plūsmas līnijas, griežot vadītāju ap fiksētu asi tā, lai tas būtu taisnā leņķī pret statisko magnētisko lauku. Iegūtajam EMF (elektromotīves spēkam), kas ir nepārtraukts vienā virzienā, uz homopolāru motoru nav nepieciešams komutators, bet tomēr ir nepieciešami slīdgredzeni. Nosaukums "homopolārs" norāda, ka vadītāja elektriskā polaritāte un magnētiskā lauka stabi nemainās (tas ir, ka nav nepieciešama pārslēgšana).
Vienpolārais motors bija pirmais elektromotors, kas tika uzbūvēts. Tās darbību 1821. gadā Londonas Karaliskajā institūcijā demonstrēja Maikls Faradejs.
Izgudrojums
1821. gadā, neilgi pēc tam, kad dāņu fiziķis un ķīmiķis Hanss Kristians Orsteds atklājaelektromagnētisma fenomenu Hamfrijs Deivijs un britu zinātnieks Viljams Haids Volastons mēģināja izstrādāt elektromotoru, taču viņiem tas neizdevās. Faradejs, kuru Hamfrijs apstrīdēja kā joku, turpināja izveidot divas ierīces, lai radītu to, ko viņš sauca par "elektromagnētisko rotāciju". Viens no tiem, tagad pazīstams kā homopolārais piedziņa, radīja nepārtrauktu apļveida kustību. To izraisīja apļveida magnētiskais spēks ap vadu, kas ievietots dzīvsudraba baseinā, kurā tika ievietots magnēts. Vads grieztos ap magnētu, ja to darbinātu ķīmiskais akumulators.
Šie eksperimenti un izgudrojumi veidoja mūsdienu elektromagnētisko tehnoloģiju pamatu. Drīz Faradejs publicēja rezultātus. Tas saspīlēja attiecības ar Dāvi, jo viņš bija greizsirdīgs par Faradeja sasniegumiem, un lika pēdējam pievērsties citām lietām, kā rezultātā vairākus gadus viņš nevarēja piedalīties elektromagnētiskajos pētījumos.
B. G. Lams 1912. gadā aprakstīja homopolāru mašīnu ar jaudu 2000 kW, 260 V, 7700 A un 1200 apgr./min ar 16 slīdgredzeniem, kas darbojas ar perifēro ātrumu 67 m/s. Amerikāņu tērauda rūpnīcā cauruļu metināšanai tika uzstādīts 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 apgr./min unipolārs ģenerators, kas būvēts 1934. gadā.
Tas pats Lorenca likums
Šī dzinēja darbība ir līdzīga trieciena unipolāra ģeneratora darbībai. Unipolāro motoru darbina Lorenca spēks. Vadītājs, kuram caur to plūst strāva, atrodoties magnētiskajā laukā un tam perpendikulāri, izjūt spēkuvirziens perpendikulārs gan magnētiskajam laukam, gan strāvai. Šis spēks nodrošina pagrieziena momentu ap griešanās asi.
Tā kā pēdējais ir paralēls magnētiskajam laukam un pretējie magnētiskie lauki nemaina polaritāti, pārslēgšana nav nepieciešama, lai turpinātu griezt vadītāju. Šo vienkāršību visvieglāk var panākt ar viena pagrieziena konstrukcijām, padarot homopolārus motorus nepiemērotus lielākajai daļai praktisko lietojumu.
Tāpat kā vairums elektromehānisko iekārtu (piemēram, Neggerata vienpolārais ģenerators), homopolārais motors ir atgriezenisks: ja vadītājs tiek mehāniski pagriezts, tas darbosies kā homopolārs ģenerators, radot līdzstrāvas spriegumu starp diviem vadītāja spailēm.
Pastāvīgā strāva ir konstrukcijas homopolārā rakstura sekas. Homopolārie ģeneratori (HPG) tika plaši pētīti 20. gadsimta beigās kā zemsprieguma, bet ļoti lielas strāvas līdzstrāvas avoti, un tie guva zināmus panākumus eksperimentālo sliežu pistoļu darbināšanā.
Ēka
Izgatavot vienpolu ģeneratoru ar savām rokām ir pavisam vienkārši. Unipolārais motors ir arī ļoti viegli montējams. Pastāvīgais magnēts tiek izmantots, lai izveidotu ārēju magnētisko lauku, kurā vadītājs griezīsies, un akumulators liek strāvai plūst pa vadošo vadu.
Nav nepieciešams, lai magnēts kustētos vai pat saskartos ar pārējo motoru; tā vienīgais mērķis ir radīt magnētisko lauku, kas būsmijiedarboties ar līdzīgu lauku, ko izraisa strāva vadā. Akumulatoram ir iespējams piestiprināt magnētu un ļaut vadītājam brīvi griezties, kad elektriskā ķēde ir pabeigta, pieskaroties gan akumulatora augšējai daļai, gan magnētam, kas piestiprināts akumulatora apakšai. Nepārtrauktas lietošanas laikā vads un akumulators var sasilt.
