En unipolær generator er en elektrisk jævnstrømsmekanisme, der indeholder en elektrisk ledende skive eller cylinder, der roterer i et plan. Den har potentialer af forskellig kraft mellem midten af skiven og kanten (eller enderne af cylinderen) med elektrisk polaritet, som afhænger af rotationsretningen og feltets orientering.
Den er også kendt som den unipolære Faraday-oscillator. Spændingen er norm alt lav, i størrelsesordenen nogle få volt i tilfælde af små demonstrationsmodeller, men store forskningsmaskiner kan generere hundredvis af volt, og nogle systemer har flere serieoscillatorer til endnu højere spændinger. De er usædvanlige, idet de kan generere en elektrisk strøm, der er i stand til at overstige en million ampere, da en unipolær generator ikke nødvendigvis har en høj intern modstand.
Opfindelseshistorie
Den første homopolære mekanisme blev udviklet af Michael Faraday under hans eksperimenter i 1831. Det omtales ofte som en Faraday-skive eller -hjul efter ham. Dette var begyndelsen på moderne dynamoermaskiner, det vil sige elektriske generatorer, der arbejder på et magnetfelt. Den var meget ineffektiv og blev ikke brugt som en praktisk strømkilde, men viste muligheden for at generere elektricitet ved hjælp af magnetisme og banede vejen for skiftede DC-dynamoer og derefter vekselstrømsgeneratorer.
Ulemper ved den første generator
Faradays disk var primært ineffektiv på grund af de modgående strømme. Funktionsprincippet for en unipolær generator vil blive beskrevet blot ved dets eksempel. Mens strømmen blev induceret direkte under magneten, cirkulerede strømmen i den modsatte retning. Tilbageløbet begrænser udgangseffekten for de modtagende ledninger og forårsager unødvendig opvarmning af kobberskiven. Senere homopolære generatorer kunne løse dette problem med et sæt magneter placeret rundt om diskens omkreds for at opretholde et konstant felt rundt om omkredsen og eliminere områder, hvor tilbagestrømning kunne forekomme.
Yderligere udvikling
Kort efter at den originale Faraday-disk blev miskrediteret som en praktisk generator, blev der udviklet en modificeret version, der kombinerede magnet og disk i én roterende del (rotor), men selve ideen om en unipolær slaggenerator var forbeholdt dette konfiguration. Et af de tidligste patenter for generiske unipolære mekanismer blev opnået af A. F. Delafield, U. S. Patent 278.516.
Forskning af fremragende hjerner
Andre unipolære patenter med tidlig virkninggeneratorerne blev tildelt særskilt til S. Z. De Ferranti og S. Batchelor. Nikola Tesla var interesseret i Faraday-disken og arbejdede med homopolære mekanismer og patenterede til sidst en forbedret version af enheden i US Patent 406.968.
Teslas "Dynamo Electric Machine"-patent (Teslas unipolære generator) beskriver et arrangement af to parallelle skiver med separate parallelle aksler forbundet, som remskiver, med et metalbælte. Hver skive havde et felt modsat den anden, så strømmen gik fra den ene aksel til kanten af skiven, gennem båndet til den anden kant og til den anden aksel. Dette ville i høj grad reducere friktionstabene forårsaget af glidende kontakter, hvilket tillader begge elektriske sensorer at interagere med akslerne på de to skiver i stedet for akslen og højhastighedsfælgen.
Senere patenter blev tildelt S. P. Steinmetz og E. Thomson for deres arbejde med højspændings unipolære generatorer. Forbes Dynamo, designet af den skotske elektroingeniør George Forbes, blev meget brugt i begyndelsen af det 20. århundrede. De fleste af udviklingen inden for homopolære mekanismer er blevet patenteret af J. E. Noeggerath og R. Eickemeyer.
50s
Homopolære generatorer oplevede en renæssance i 1950'erne som en kilde til pulserende energilagring. Disse enheder brugte tunge skiver som en form for svinghjul til at lagre mekanisk energi, der hurtigt kunne dumpes ind i det eksperimentelle apparat.
Et tidligt eksempel på denne form for enhed blev skabt af Sir Mark Oliphant på forskerskolenFysiske videnskaber og teknik fra Australian National University. Den lagrede op til 500 megajoule energi og blev brugt som en ultrahøjstrømskilde til synkrotroneksperimenter fra 1962, indtil den blev demonteret i 1986. Oliphants design var i stand til at levere strømme op til 2 megaampere (MA).
Udviklet af Parker Kinetic Designs
Selv større enheder som denne er designet og bygget af Parker Kinetic Designs (tidligere OIME Research & Development) fra Austin. De producerede enheder til en række forskellige formål, fra at drive jernbanepistoler til lineære motorer (til rumopsendelser) og forskellige våbendesigner. 10 MJ industrielle designs er blevet introduceret til forskellige roller, herunder elektrisk svejsning.
Disse enheder bestod af et ledende svinghjul, hvoraf det ene roterede i et magnetfelt med en elektrisk kontakt nær aksen og det andet nær periferien. De er blevet brugt til at generere meget høje strømme ved lave spændinger inden for områder som svejsning, elektrolyse og jernbanevåbenforskning. I pulserende energiapplikationer bruges rotorens vinkelmomentum til at lagre energi i en lang periode og derefter frigive den på kort tid.
I modsætning til andre typer kommuterede unipolære generatorer, vender udgangsspændingen aldrig om polaritet. Adskillelsen af ladninger er resultatet af Lorentz-kraftens virkning på de frie ladninger i disken. Bevægelsen er azimutal, og feltet er aksi alt, såelektromotorisk kraft er radial.
Elektriske kontakter er norm alt lavet gennem en "børste" eller slæbering, hvilket resulterer i store tab ved de lave spændinger, der genereres. Nogle af disse tab kan reduceres ved at bruge kviksølv eller et andet let flydende metal eller en legering (gallium, NaK) som en "børste" for at give næsten kontinuerlig elektrisk kontakt.
Ændring
En for nylig foreslået ændring har været at bruge en plasmakontakt udstyret med en neonstreamer med negativ modstand, der rører ved kanten af disken eller tromlen ved hjælp af specialiseret kulstof med lav arbejdsfunktion i lodrette striber. Dette ville have fordelen af meget lav modstand i det aktuelle område, muligvis op til tusindvis af ampere, uden kontakt med flydende metal.
Hvis magnetfeltet er skabt af en permanent magnet, virker generatoren uanset om magneten er fastgjort til statoren eller roterer med skiven. Før opdagelsen af elektronen og Lorentz' kraftlov var dette fænomen uforklarligt og var kendt som Faradays paradoks.
Trommetype
En homopolær generator af tromletypen har et magnetfelt (V), der udstråler radi alt fra midten af tromlen og inducerer en spænding (V) langs hele dens længde. En ledende tromle, der roterer ovenfra i området af en magnet af "højttaler"-typen med en pol i midten og den anden omkring den, kan bruge ledende kuglelejer i toppen ognedre dele for at fange den genererede strøm.
I naturen
Unipolære induktorer findes i astrofysikken, hvor lederen roterer gennem et magnetfelt, for eksempel når et stærkt ledende plasma i ionosfæren af et rumlegeme bevæger sig gennem sit magnetfelt.
Unipolære induktorer er blevet forbundet med den uranske nordlys, binære stjerner, sorte huller, galakser, Jupiters måne Io, Månen, solvinden, solpletter og den venusiske magnetiske hale.
Mekanismefunktioner
Som alle de ovennævnte rumobjekter omdanner Faraday-skiven kinetisk energi til elektrisk energi. Denne maskine kan analyseres ved hjælp af Faradays egen lov om elektromagnetisk induktion.
Denne lov i sin moderne form siger, at den konstante afledte af magnetisk flux gennem et lukket kredsløb inducerer en elektromotorisk kraft i det, som igen exciterer en elektrisk strøm.
Overfladeintegralet, der definerer den magnetiske flux, kan omskrives som en lineær rundt om kredsløbet. Selvom integranden af linjeintegralet ikke afhænger af tid, da Faraday-skiven, der er en del af grænsen for linjeintegralet, bevæger sig, er den afledede af den samlede tid ikke nul og returnerer den korrekte værdi til beregning af den elektromotoriske kraft. Alternativt kan skiven reduceres til en ledende ring rundt om dens omkreds med en enkelt metaleger, der forbinder ringen med akslen.
Lorentz tvinger loven letterebruges til at forklare maskinens opførsel. Denne lov, formuleret tredive år efter Faradays død, siger, at kraften på en elektron er proportional med krydsproduktet af dens hastighed og den magnetiske fluxvektor.
I geometrisk udtryk betyder det, at kraften er rettet vinkelret på både hastigheden (azimut) og den magnetiske flux (aksial), som derfor er i radial retning. Den radiale bevægelse af elektroner i disken forårsager en adskillelse af ladninger mellem dens centrum og kant, og hvis kredsløbet er fuldført, genereres en elektrisk strøm.
Elektrisk motor
En unipolær motor er en DC-enhed med to magnetiske poler, hvis ledere altid krydser ensrettede magnetiske fluxlinjer, og roterer lederen omkring en fast akse, så den er vinkelret på det statiske magnetfelt. Den resulterende EMF (elektromotoriske kraft), som er kontinuerlig i én retning, til en homopolær motor kræver ikke en kommutator, men kræver stadig slæberinge. Navnet "homopolær" indikerer, at lederens elektriske polaritet og magnetfeltets poler ikke ændres (det vil sige, at det ikke kræver omskiftning).
Den unipolære motor var den første elektriske motor, der blev bygget. Dens handling blev demonstreret af Michael Faraday i 1821 ved Royal Institution i London.
Opfindelse
I 1821, kort efter at den danske fysiker og kemiker Hans Christian Ørsted opdagedefænomenet elektromagnetisme, forsøgte Humphry Davy og den britiske videnskabsmand William Hyde Wollaston, men mislykkedes, at udvikle en elektrisk motor. Faraday, omstridt som en vittighed af Humphrey, fortsatte med at skabe to enheder til at skabe, hvad han kaldte "elektromagnetisk rotation". En af dem, nu kendt som det homopolære drev, skabte en kontinuerlig cirkulær bevægelse. Det var forårsaget af en cirkulær magnetisk kraft omkring en ledning placeret i en pøl af kviksølv, hvori magneten var placeret. Tråden ville dreje rundt om magneten, hvis den blev drevet af et kemisk batteri.
Disse eksperimenter og opfindelser dannede grundlaget for moderne elektromagnetiske teknologier. Snart offentliggjorde Faraday resultaterne. Dette anstrengte forholdet til Davy på grund af hans jalousi over Faradays præstationer og fik sidstnævnte til at vende sig til andre ting, hvilket som et resultat forhindrede ham i at deltage i elektromagnetisk forskning i flere år.
B. G. Lamm beskrev i 1912 en homopolær maskine med en effekt på 2000 kW, 260 V, 7700 A og 1200 rpm med 16 slæberinge, der arbejder med en periferihastighed på 67 m/s. En 1125kW, 7,5V, 150.000A, 514rpm unipolær generator bygget i 1934 blev installeret i et amerikansk stålværk til rørsvejsning.
Den samme Lorentz-lov
Denne motors funktion ligner den for en unipolær stødgenerator. Den unipolære motor drives af Lorentz-kraften. En leder med en strøm, der løber gennem den, når den placeres i et magnetfelt og vinkelret på det, føler en kraft iretning vinkelret på både magnetfeltet og strømmen. Denne kraft giver et drejemoment omkring rotationsaksen.
Da sidstnævnte er parallel med magnetfeltet, og modstående magnetfelter ikke ændrer polaritet, er der ikke behov for omskiftning for at fortsætte med at rotere lederen. Denne enkelhed opnås lettest med enkeltdrejningsdesign, hvilket gør homopolære motorer uegnede til de fleste praktiske anvendelser.
Som de fleste elektromekaniske maskiner (som Neggeraths unipolære generator) er den homopolære motor reversibel: hvis lederen drejes mekanisk, vil den fungere som en homopolær generator, hvilket skaber en jævnspænding mellem lederens to terminaler.
Den konstante strøm er en konsekvens af designets homopolære natur. Homopolære generatorer (HPG'er) blev grundigt udforsket i slutningen af det 20. århundrede som kilder til lavspænding, men meget høj strøm jævnstrøm, og opnåede en vis succes med at drive eksperimentelle jernbanekanoner.
Bygning
At lave en unipolær generator med dine egne hænder er ret simpelt. Den unipolære motor er også meget nem at samle. Den permanente magnet bruges til at skabe et eksternt magnetfelt, hvori lederen vil rotere, og batteriet får strøm til at flyde langs den ledende ledning.
Det er ikke nødvendigt for magneten at bevæge sig eller endda komme i kontakt med resten af motoren; dens eneste formål er at skabe et magnetfelt, der vilinteragere med et lignende felt induceret af strøm i ledningen. Det er muligt at fastgøre en magnet til et batteri og lade lederen rotere frit, efterhånden som det elektriske kredsløb er afsluttet, ved at røre både toppen af batteriet og magneten fastgjort til bunden af batteriet. Ledningen og batteriet kan blive varme under kontinuerlig brug.
