Generator homopolarny

Dysk Faradaya, pierwszy generator homopolarny

Generator homopolarny to generator elektryczny prądu stałego zawierający przewodzący prąd dysk lub cylinder obracający się w płaszczyźnie prostopadłej do jednolitego statycznego pola magnetycznego. Powstaje różnica potencjałów między środkiem tarczy a obrzeżem (lub końcami cylindra) z polaryzacją elektryczną zależną od kierunku obrotu i orientacji pola. Jest również znany jako generator jednobiegunowy , generator acykliczny , dynamo dyskowe lub dysk Faradaya . Napięcie jest zwykle niskie, rzędu kilku woltów w przypadku małych modeli demonstracyjnych, ale duże generatory badawcze mogą wytwarzać setki woltów, a niektóre systemy mają wiele generatorów połączonych szeregowo, aby wytworzyć jeszcze większe napięcie. Są niezwykłe, ponieważ mogą dostarczać ogromny prąd elektryczny, niektóre ponad milion amperów , ponieważ generator homopolarny może mieć bardzo niski opór wewnętrzny . Ponadto generator homopolarny jest wyjątkowy, ponieważ żadna inna obrotowa maszyna elektryczna nie może wytwarzać prądu stałego bez użycia prostowników lub komutatorów.

Dysk Faradaya

Dysk Faradaya

Pierwszy generator homopolarny został opracowany przez Michaela Faradaya podczas jego eksperymentów w 1831 roku . Na jego cześć jest często nazywany dyskiem Faradaya lub kołem Faradaya . Był to początek nowoczesnych dynam , czyli generatorów elektrycznych , które działają za pomocą pola magnetycznego . Był bardzo nieefektywny i nie był używany jako praktyczne źródło zasilania, ale pokazał możliwość generowania energii elektrycznej za pomocą magnetyzmu i utorował drogę komutowanym prądnicom prądu stałego , a następnie alternatory prądu przemiennego .

Dysk Faradaya był przede wszystkim nieefektywny z powodu przeciwprądu. Podczas gdy przepływ prądu był indukowany bezpośrednio pod magnesem, prąd krążyłby wstecz w obszarach poza wpływem pola magnetycznego. Ten przeciwprąd ogranicza moc wyjściową do przewodów odbiorczych i indukuje odpadowe nagrzewanie się miedzianego krążka. Późniejsze generatory homopolarne rozwiązałyby ten problem, wykorzystując układ magnesów rozmieszczonych wokół obwodu dysku, aby utrzymać stałe pole wokół obwodu i wyeliminować obszary, w których mógłby wystąpić przepływ przeciwny.

Rozwój generatora homopolarnego

Pozostałości generatora ANU 500 MJ

opracowano zmodyfikowaną wersję łączącą magnes i dysk w jednej obracającej się części (wirnik ) . Czasami nazwa generatora homopolarnego jest zarezerwowana dla tej konfiguracji. Jeden z najwcześniejszych patentów na ogólny typ generatorów homopolarnych uzyskał AF Delafield, patent USA 278,516 . Inne wczesne patenty na generatory homopolarne zostały przyznane SZ De Ferranti i C. Batchelorowi . Nikola Tesla był zainteresowany dyskiem Faradaya i prowadził prace z generatorami homopolarnymi, a ostatecznie opatentował ulepszoną wersję urządzenia w patencie USA 406,968 . Patent Tesli „Dynamo Electric Machine” opisuje układ dwóch równoległych dysków z oddzielnymi, równoległymi wałami, połączonymi jak koła pasowe za pomocą metalowego paska. Każdy dysk miał pole, które było przeciwne do drugiego, tak że przepływ prądu odbywał się od jednego wałka do krawędzi dysku, przez pasek do drugiej krawędzi dysku i do drugiego wału. To znacznie zmniejszyłoby straty spowodowane tarciem spowodowane przez styki ślizgowe, umożliwiając obu przetwornikom elektrycznym połączenie z wałami dwóch tarcz, a nie z wałem i obręczą o dużej prędkości. Później patenty przyznano CP Steinmetzowi i E. Thomsonowi za ich pracę z generatorami homopolarnymi. Dynamo Forbesa , opracowane przez szkockiego inżyniera elektryka George Forbes był w powszechnym użyciu na początku XX wieku. Znaczna część prac rozwojowych nad generatorami homopolarnymi została opatentowana przez JE Noeggeratha i R. Eickemeyera .

Generatory homopolarne przeżyły renesans w latach pięćdziesiątych XX wieku jako źródło impulsowego magazynowania energii. Urządzenia te wykorzystywały ciężkie dyski jako rodzaj koła zamachowego do magazynowania energii mechanicznej, którą można było szybko przenieść do aparatury eksperymentalnej. Wczesny egzemplarz tego rodzaju urządzenia został zbudowany przez Sir Marka Oliphanta w Szkole Badawczej Nauk Fizycznych i Inżynierii Australijskiego Uniwersytetu Narodowego . Przechowywał do 500 megadżuli energii i był używany jako źródło niezwykle wysokiego prądu dla synchrotronu eksperymenty od 1962 r. do demontażu w 1986 r. Konstrukcja Oliphanta była w stanie dostarczać prądy o natężeniu do 2 megaamperów (MA).

Podobne urządzenia o jeszcze większych rozmiarach projektuje i buduje firma Parker Kinetic Designs (dawniej OIME Research & Development) z Austin. Wyprodukowali urządzenia do różnych ról, od napędzania dział kolejowych , przez silniki liniowe (do startów kosmicznych) po różne projekty broni. Wprowadzono projekty przemysłowe o mocy 10 MJ do różnych zadań, w tym do spawania elektrycznego.

Opis i działanie

Generator typu dyskowego

Podstawowy generator dysków Faradaya

To urządzenie składa się z przewodzącego koła zamachowego obracającego się w polu magnetycznym z jednym stykiem elektrycznym w pobliżu osi, a drugim w pobliżu obwodu. Był używany do generowania bardzo wysokich prądów przy niskim napięciu w zastosowaniach takich jak spawanie , elektroliza i badania dział szynowych . W zastosowaniach energii impulsowej moment pędu wirnika jest wykorzystywany do gromadzenia energii przez długi czas, a następnie uwalniania jej w krótkim czasie.

W przeciwieństwie do innych typów generatorów napięcie wyjściowe nigdy nie zmienia biegunowości. Separacja ładunków wynika z siły Lorentza działającej na swobodne ładunki w dysku. Ruch jest azymutalny, a pole jest osiowe, więc siła elektromotoryczna jest promieniowa. Styki elektryczne są zwykle wykonywane za pomocą „ szczotki ” lub pierścienia ślizgowego , co przy generowanych niskich napięciach powoduje duże straty. Niektóre z tych strat można zmniejszyć, stosując rtęć lub inny łatwo upłynniający się metal lub stop ( gal , NaK ) jako „szczotka”, aby zapewnić zasadniczo nieprzerwany kontakt elektryczny.

Ostatnio sugerowaną modyfikacją jest użycie kontaktu plazmowego zasilanego przez neonowy streamer o ujemnym oporze , dotykający krawędzi dysku lub bębna, przy użyciu specjalistycznego węgla o niskiej pracy roboczej w pionowych paskach. Miałoby to zaletę bardzo niskiej rezystancji w zakresie prądu, prawdopodobnie do tysięcy amperów bez kontaktu z ciekłym metalem. [ potrzebne źródło ]

Jeśli pole magnetyczne zapewnia magnes trwały , generator pracuje niezależnie od tego, czy magnes jest przymocowany do stojana, czy obraca się wraz z tarczą. Przed odkryciem elektronu i prawa Lorentza zjawisko to było niewytłumaczalne i było znane jako paradoks Faradaya .

Generator bębnowy

Jednobiegunowy generator bębnowy ma pole magnetyczne (B), które promieniuje promieniowo ze środka bębna i indukuje napięcie (V) wzdłuż bębna. Bęben przewodzący obracany od góry w polu magnesu typu „głośnik”, który ma jeden biegun pośrodku bębna, a drugi otaczający bęben, mógłby wykorzystywać przewodzące łożyska kulkowe na górze i na dole bębna do podnoszenia generowany prąd.

Astrofizyczne induktory unipolarne

Induktory jednobiegunowe występują w astrofizyce, gdzie przewodnik obraca się w polu magnetycznym, na przykład ruch wysoce przewodzącej plazmy w jonosferze ciała kosmicznego poprzez jego pole magnetyczne . W swojej książce Cosmical Electrodynamics Hannes Alfvén i Carl-Gunne Fälthammar piszą:

„
Ponieważ kosmiczne chmury zjonizowanego gazu są generalnie namagnesowane, ich ruch wytwarza indukowane pola elektryczne […]
.. obrót przewodnika w polu magnetycznym wytwarza pole elektryczne w spoczynku układu.Zjawisko to jest dobrze znane z eksperymentów laboratoryjnych i zwykle nazywane jest indukcją „homopolarną” lub „jednobiegunową”.

Jednobiegunowe cewki indukcyjne były kojarzone z zorzami polarnymi na Uranie , gwiazdami podwójnymi , czarnymi dziurami , galaktykami , układem Jowisza Io , Księżycem , wiatrem słonecznym, plamami słonecznymi i wenusjańskimi warkoczami magnetycznymi .

Fizyka

Zasada działania generatora homopolarnego: pod wpływem siły Lorentza F L ładunki ujemne są kierowane w kierunku środka wirującego dysku, tak że między jego środkiem a jego obrzeżem pojawia się napięcie, z biegunem ujemnym w środku.

Jak wszystkie dynama , dysk Faradaya przekształca energię kinetyczną w energię elektryczną . Ta maszyna może być analizowana przy użyciu własnego prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya . Prawo to, we współczesnej formie, mówi, że pochodna pełnoetatowa strumienia magnetycznego przechodzącego przez obwód zamknięty indukuje w obwodzie siłę elektromotoryczną , która z kolei napędza prąd elektryczny. Całkę powierzchniową , która definiuje strumień magnetyczny, można zapisać jako całkę liniową wokół obwodu. Chociaż całka całki krzywoliniowej jest niezależna od czasu, ponieważ dysk Faradaya, który tworzy część granicy całki krzywoliniowej, porusza się, pochodna pełnego czasu jest różna od zera i zwraca poprawną wartość do obliczenia siły elektromotorycznej. Alternatywnie tarczę można zredukować do przewodzącego pierścienia wzdłuż obwodu tarczy z pojedynczą metalową szprychą łączącą pierścień z osią.

Prawo siły Lorentza jest łatwiejsze do wyjaśnienia zachowania maszyny. Prawo to, sformułowane trzydzieści lat po śmierci Faradaya, stwierdza, że ​​siła działająca na elektron jest proporcjonalna do iloczynu krzyżowego jego prędkości i strumienia magnetycznego . wektor. Z geometrycznego punktu widzenia oznacza to, że siła jest prostopadła zarówno do prędkości (azymutalnej), jak i strumienia magnetycznego (osiowego), czyli w kierunku promieniowym. Promieniowy ruch elektronów w dysku powoduje rozdzielenie ładunku między środkiem dysku a jego obrzeżem, a jeśli obwód jest zamknięty, zostanie wytworzony prąd elektryczny.

Zobacz też

Ogólne odniesienia

  • Don Lancaster, „ Rozbijanie homopolarnych mitów ”. Tech Musings, październik 1997. (PDF)
  • Don Lancaster, „ Zrozumieć dysk Faradaya ”. Tech Musings, październik 1997. (PDF)
  •   John David Jackson, Elektrodynamika klasyczna , Wiley, wyd. 1998, ISBN 0-471-30932-X
  • Arthur I. Miller , „Indukcja jednobiegunowa: studium przypadku interakcji między nauką a technologią”, Annals of Science, tom 38, s. 155–189 (1981).
  •   Olivier Darrigol, Elektrodynamika od Ampera do Einsteina , Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-850594-9
  •   Trevor Ophel i John Jenkin, (1996) Fire in the belly : the first 50 years of pionierska szkoła w ANU Canberra: Research School of Physical Sciences and Engineering, Australian National University. ISBN 0-85800-048-2 . (PDF)
  •   Thomas Valone, The Homopolar Handbook: Definitive Guide to Disk Faradaya i Technologie N-Machine . Waszyngton, DC, USA: Integrity Research Institute, 2001. ISBN 0-964107-0-1-5

Dalsza lektura

  • Richard A. Marshall i William F. Weldon, „ Wybór parametrów generatorów homopolarnych używanych jako magazyny energii impulsowej ”, Centrum elektromechaniki, University of Texas, Austin, lipiec 1980. (opublikowane również w: Electrical Machines and Electromechanics, 6:109 –127, 1981.)

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Homopolar_generator&oldid=1139871068 ”