Un generador unipolar és un mecanisme elèctric de corrent continu que conté un disc o cilindre elèctricament conductor que gira en un pla. Té potencials de diferent potència entre el centre del disc i la vora (o extrems del cilindre) amb polaritat elèctrica, que depèn del sentit de gir i de l'orientació del camp.
També es coneix com a oscil·lador de Faraday unipolar. La tensió sol ser baixa, de l'ordre d'uns pocs volts en el cas de petits models de demostració, però les grans màquines de recerca poden generar centenars de volts, i alguns sistemes tenen múltiples oscil·ladors en sèrie per a tensions encara més altes. Són inusuals perquè poden generar un corrent elèctric capaç de superar el milió d'amperes, ja que un generador unipolar no té necessàriament una gran resistència interna.
Història d'invenció
El primer mecanisme homopolar va ser desenvolupat per Michael Faraday durant els seus experiments el 1831. Sovint es coneix com un disc o roda de Faraday després d'ell. Aquest va ser el començament de les dinamos modernesmàquines, és a dir, generadors elèctrics que funcionen sobre un camp magnètic. Era molt ineficient i no s'utilitzava com a font d'energia pràctica, però mostrava la possibilitat de generar electricitat mitjançant el magnetisme i va obrir el camí per a les dinamos de corrent continu commutades i després els alternadors.
Inconvenients del primer generador
El disc de Faraday va ser principalment ineficient a causa dels fluxos de corrent que s'acostaven. El principi de funcionament d'un generador unipolar es descriu només amb el seu exemple. Mentre que el flux de corrent es va induir directament sota l'imant, el corrent circulava en sentit contrari. El retorn limita la potència de sortida dels cables receptors i provoca un escalfament innecessari del disc de coure. Els generadors homopolars posteriors podrien resoldre aquest problema amb un conjunt d'imants col·locats al voltant del perímetre del disc per mantenir un camp constant al voltant de la circumferència i eliminar les zones on es podria produir el reflux.
Més desenvolupaments
Poc després que el disc de Faraday original fos desacreditat com a generador pràctic, es va desenvolupar una versió modificada que combinava imant i disc en una part giratòria (rotor), però la idea mateixa d'un generador unipolar d'impacte es va reservar per a això. configuració. Una de les primeres patents de mecanismes unipolars genèrics la va obtenir A. F. Delafield, patent dels EUA 278.516.
Recerca de ments destacades
Altres patents unipolars d'impacte primerencels generadors van ser adjudicats per separat a S. Z. De Ferranti i S. Batchelor. Nikola Tesla estava interessat en el disc de Faraday i va treballar amb mecanismes homopolars, i finalment va patentar una versió millorada del dispositiu a la patent dels EUA 406.968.
La patent de "Dynamo Electric Machine" de Tesla (el generador unipolar de Tesla) descriu una disposició de dos discos paral·lels amb eixos paral·lels separats connectats, com politges, per una corretja metàl·lica. Cada disc tenia un camp oposat a l' altre, de manera que el flux de corrent passava d'un eix a la vora del disc, a través del cinturó a l' altra vora i al segon eix. Això reduiria molt les pèrdues per fricció causades pels contactes lliscants, permetent que els dos sensors elèctrics interactuïn amb els eixos dels dos discs en lloc de l'eix i la llanda d' alta velocitat.
Les patents posteriors es van atorgar a S. P. Steinmetz i E. Thomson pel seu treball en generadors unipolars d' alta tensió. El Forbes Dynamo, dissenyat per l'enginyer elèctric escocès George Forbes, va ser àmpliament utilitzat a principis del segle XX. La majoria dels desenvolupaments realitzats en mecanismes homopolars han estat patentats per J. E. Noeggerath i R. Eickemeyer.
50
Els generadors homopolars van experimentar un renaixement a la dècada de 1950 com a font d'emmagatzematge d'energia polsada. Aquests dispositius utilitzaven discos pesats com a forma de volant per emmagatzemar energia mecànica que es podia abocar ràpidament a l'aparell experimental.
Un primer exemple d'aquest tipus de dispositiu va ser creat per Sir Mark Oliphant a la Research SchoolCiències Físiques i Enginyeria de la Universitat Nacional d'Austràlia. Va emmagatzemar fins a 500 megajoules d'energia i es va utilitzar com a font de corrent ultra alta per a experiments de sincrotró des de 1962 fins que va ser desmantellat el 1986. El disseny d'Oliphant era capaç de subministrar corrents de fins a 2 megaamperes (MA).
Desenvolupat per Parker Kinetic Designs
Dispositius més grans com aquest estan dissenyats i construïts per Parker Kinetic Designs (anteriorment OIME Research & Development) d'Austin. Van produir dispositius per a diversos propòsits, des d'alimentar pistoles de ferrocarril fins a motors lineals (per a llançaments espacials) i diversos dissenys d'armes. S'han introduït 10 dissenys industrials MJ per a diferents funcions, inclosa la soldadura elèctrica.
Aquests dispositius consistien en un volant conductor, un dels quals girava en un camp magnètic amb un contacte elèctric prop de l'eix i l' altre prop de la perifèria. S'han utilitzat per generar corrents molt elevades a baixes tensions en àrees com la soldadura, l'electròlisi i la investigació de railgun. En aplicacions d'energia polsada, el moment angular del rotor s'utilitza per emmagatzemar energia durant un període llarg i després alliberar-la en poc temps.
A diferència d' altres tipus de generadors unipolars commutats, la tensió de sortida mai inverteix la polaritat. La separació de càrregues és el resultat de l'acció de la força de Lorentz sobre les càrregues lliures del disc. El moviment és azimutal i el camp és axial, per tantla força electromotriu és radial.
Els contactes elèctrics s'acostumen a fer a través d'un "raspall" o anell lliscant, donant lloc a grans pèrdues a les baixes tensions generades. Algunes d'aquestes pèrdues es poden reduir utilitzant mercuri o un altre metall o aliatge fàcilment liquat (gal·li, NaK) com a "raspall" per proporcionar un contacte elèctric gairebé continu.
Modificació
Una modificació proposada recentment ha estat l'ús d'un contacte de plasma equipat amb un streamer de neó de resistència negativa que toca la vora del disc o del tambor utilitzant carboni especialitzat amb funció baixa de treball en ratlles verticals. Això tindria l'avantatge d'una resistència molt baixa en el rang actual, possiblement fins a milers d'amperes, sense contacte amb metall líquid.
Si el camp magnètic és creat per un imant permanent, el generador funciona independentment de si l'imant està connectat a l'estator o gira amb el disc. Abans del descobriment de l'electró i la llei de la força de Lorentz, aquest fenomen era inexplicable i es coneixia com la paradoxa de Faraday.
Tipus de tambor
Un generador homopolar de tipus tambor té un camp magnètic (V) que irradia radialment des del centre del tambor i indueix una tensió (V) al llarg de tota la seva longitud. Un tambor conductor que gira des de d alt a la regió d'un imant de tipus " altaveu" amb un pol al centre i l' altre que l'envolta, pot utilitzar coixinets de boles conductors a la part superior iparts inferiors per capturar el corrent generat.
A la natura
Els inductors unipolars es troben en astrofísica, on el conductor gira a través d'un camp magnètic, per exemple, quan un plasma altament conductor de la ionosfera d'un cos espacial es mou pel seu camp magnètic.
S'han associat inductors unipolars amb l'aurora uraniana, les estrelles binaries, els forats negres, les galàxies, la lluna de Júpiter Io, la Lluna, el vent solar, les taques solars i la cua magnètica venusiana.
Funcions del mecanisme
Com tots els objectes espacials esmentats anteriorment, el disc de Faraday converteix l'energia cinètica en energia elèctrica. Aquesta màquina es pot analitzar mitjançant la llei d'inducció electromagnètica de Faraday.
Aquesta llei en la seva forma moderna estableix que la derivada constant del flux magnètic a través d'un circuit tancat hi indueix una força electromotriu, que al seu torn excita un corrent elèctric.
La integral de superfície que defineix el flux magnètic es pot reescriure com a lineal al voltant del circuit. Encara que l'integrand de la integral de línia no depèn del temps, com que el disc de Faraday que forma part del límit de la integral de la línia es mou, la derivada del temps total no és zero i retorna el valor correcte per calcular la força electromotriu. Alternativament, el disc es pot reduir a un anell conductor al voltant de la seva circumferència amb un sol radi metàl·lic que connecta l'anell a l'eix.
Encenedor de la llei de força de Lorentzservir per explicar el comportament de la màquina. Aquesta llei, formulada trenta anys després de la mort de Faraday, estableix que la força sobre un electró és proporcional al producte creuat de la seva velocitat i el vector de flux magnètic.
En termes geomètrics, això vol dir que la força es dirigeix en angle recte tant a la velocitat (azimut) com al flux magnètic (axial), que per tant és en direcció radial. El moviment radial dels electrons al disc provoca una separació de càrregues entre el seu centre i la vora, i si el circuit es completa, es genera un corrent elèctric.
Motor elèctric
Un motor unipolar és un dispositiu de corrent continu amb dos pols magnètics, els conductors del qual sempre creuen línies de flux magnètic unidireccional, fent girar el conductor al voltant d'un eix fix de manera que estigui en angle recte amb el camp magnètic estàtic. L'EMF (força electromotriu) resultant, que és contínua en una direcció, a un motor homopolar no requereix un commutador, però encara requereix anells lliscants. El nom "homopolar" indica que la polaritat elèctrica del conductor i els pols del camp magnètic no canvien (és a dir, que no requereix commutació).
El motor unipolar va ser el primer motor elèctric que es va construir. La seva acció va ser demostrada per Michael Faraday el 1821 a la Royal Institution de Londres.
Invenció
El 1821, poc després que el físic i químic danès Hans Christian Oersted descobrísfenomen de l'electromagnetisme, Humphry Davy i el científic britànic William Hyde Wollaston van intentar, però no ho van aconseguir, desenvolupar un motor elèctric. Faraday, discutit com una broma per Humphrey, va crear dos dispositius per crear el que va anomenar "rotació electromagnètica". Un d'ells, ara conegut com a impuls homopolar, va crear un moviment circular continu. Va ser causada per una força magnètica circular al voltant d'un cable col·locat en una piscina de mercuri on es va col·locar l'imant. El cable giraria al voltant de l'imant si estigués alimentat per una bateria química.
Aquests experiments i invencions van formar la base de les tecnologies electromagnètiques modernes. Aviat Faraday va publicar els resultats. Això va tensar les relacions amb Davy a causa de la seva gelosia pels èxits de Faraday i va fer que aquest últim es volgués cap a altres coses, cosa que li va impedir participar en la investigació electromagnètica durant diversos anys.
B. G. Lamm va descriure l'any 1912 una màquina homopolar amb una potència de 2000 kW, 260 V, 7700 A i 1200 rpm amb 16 anelles colectores que funcionaven a una velocitat perifèrica de 67 m/s. Un generador unipolar de 1125 kW, 7,5 V, 150.000 A i 514 rpm construït el 1934 es va instal·lar en una fàbrica d'acer americana per a la soldadura de canonades.
La mateixa llei de Lorentz
El funcionament d'aquest motor és similar al d'un generador unipolar de xoc. El motor unipolar és accionat per la força de Lorentz. Un conductor amb un corrent que circula per ell, quan es col·loca en un camp magnètic i perpendicular a aquest, sent una força endirecció perpendicular tant al camp magnètic com al corrent. Aquesta força proporciona un moment de gir al voltant de l'eix de rotació.
Com que aquest últim és paral·lel al camp magnètic i els camps magnètics oposats no canvien la polaritat, no cal canviar-lo per continuar girant el conductor. Aquesta senzillesa s'aconsegueix més fàcilment amb dissenys d'una sola volta, de manera que els motors homopolars no són adequats per a la majoria d'aplicacions pràctiques.
Com la majoria de màquines electromecàniques (com el generador unipolar de Neggerath), el motor homopolar és reversible: si el conductor es gira mecànicament, funcionarà com un generador homopolar, creant una tensió continua entre els dos terminals del conductor.
El corrent constant és conseqüència de la naturalesa homopolar del disseny. Els generadors homopolars (HPG) es van explorar àmpliament a finals del segle XX com a fonts de corrent continu de baixa tensió però de corrent molt alta, i van aconseguir cert èxit en alimentar canons de ferrocarril experimentals.
Edifici
Fer un generador unipolar amb les teves pròpies mans és bastant senzill. El motor unipolar també és molt fàcil de muntar. L'imant permanent s'utilitza per crear un camp magnètic extern en el qual el conductor girarà i la bateria fa que el corrent flueixi al llarg del cable conductor.
No és necessari que l'imant es mogui ni tan sols entri en contacte amb la resta del motor; el seu únic propòsit és crear un camp magnètic que ho faràinteractuar amb un camp similar induït pel corrent al cable. És possible connectar un imant a una bateria i permetre que el conductor giri lliurement a mesura que es completa el circuit elèctric, tocant tant la part superior de la bateria com l'imant connectat a la part inferior de la bateria. El cable i la bateria poden escalfar-se durant l'ús continuat.
