Unipolarni generator je električni mehanizam jednosmerne struje koji sadrži električno provodljivi disk ili cilindar koji se rotira u ravnini. Ima potencijale različite snage između centra diska i ruba (ili krajeva cilindra) sa električnim polaritetom, koji zavisi od smjera rotacije i orijentacije polja.
Poznat je i kao unipolarni Faradejev oscilator. Napon je obično nizak, reda veličine nekoliko volti u slučaju malih demonstracionih modela, ali velike istraživačke mašine mogu generisati stotine volti, a neki sistemi imaju višestruke serijske oscilatore za još veće napone. Oni su neobični po tome što mogu generirati električnu struju koja može premašiti milion ampera, budući da unipolarni generator ne mora nužno imati veliki unutrašnji otpor.
Priča o invenciji
Prvi homopolarni mehanizam razvio je Michael Faraday tokom svojih eksperimenata 1831. Često se po njemu naziva Faradejev disk ili točak. Ovo je bio početak modernih dinamomašine, odnosno električni generatori koji rade na magnetskom polju. Bio je veoma neefikasan i nije se koristio kao praktičan izvor energije, ali je pokazao mogućnost generisanja električne energije korišćenjem magnetizma i otvorio put za DC dinamo sa prebacivanjem, a zatim i alternatore.
Nedostaci prvog generatora
Faradayev disk je prvenstveno bio neefikasan zbog nadolazećih strujnih tokova. Princip rada unipolarnog generatora će biti opisan samo na njegovom primjeru. Dok je struja bila indukovana direktno ispod magneta, struja je cirkulisala u suprotnom smeru. Povratni tok ograničava izlaznu snagu za prijemne žice i uzrokuje nepotrebno zagrijavanje bakrenog diska. Kasniji homopolarni generatori mogli su riješiti ovaj problem sa setom magneta postavljenim oko perimetra diska kako bi održali konstantno polje oko obima i eliminisali područja u kojima bi moglo doći do povratnog toka.
Daljnji razvoj
Ubrzo nakon što je originalni Faraday disk diskreditovan kao praktičan generator, razvijena je modifikovana verzija koja kombinuje magnet i disk u jednom rotirajućem delu (rotoru), ali je sama ideja udarnog unipolarnog generatora bila rezervisana za ovo konfiguraciju. Jedan od najranijih patenata za generičke unipolarne mehanizme dobio je A. F. Delafield, američki patent 278,516.
Istraživanje izvanrednih umova
Drugi rani unipolarni patentigeneratori su odvojeno dodijeljeni S. Z. De Ferrantiju i S. Batcheloru. Nikola Tesla je bio zainteresovan za Faradejev disk i radio je sa homopolarnim mehanizmima, i na kraju je patentirao poboljšanu verziju uređaja u američkom patentu 406,968.
Teslin patent "Dynamo Electric Machine" (Teslin unipolarni generator) opisuje raspored dva paralelna diska sa odvojenim paralelnim osovinama povezanih, poput remenica, metalnim remenom. Svaki disk je imao polje suprotno od drugog, tako da je struja prolazila od jedne osovine do ivice diska, preko pojasa do druge ivice i do druge osovine. Ovo bi uvelike smanjilo gubitke trenja uzrokovane kliznim kontaktima, omogućavajući oba električna senzora da stupe u interakciju sa osovinama dva diska, a ne sa osovinom i naplatkom velike brzine.
Kasniji patenti su dodijeljeni S. P. Steinmetzu i E. Thomsonu za njihov rad na visokonaponskim unipolarnim generatorima. Forbes Dynamo, koji je dizajnirao škotski inženjer elektrotehnike George Forbes, bio je naširoko korišten početkom 20. stoljeća. Većinu razvoja u homopolarnim mehanizmima patentirao je J. E. Noeggerath i R. Eickemeyer.
50s
Homopolarni generatori doživjeli su renesansu 1950-ih kao izvor pulsnog skladištenja energije. Ovi uređaji su koristili teške diskove kao oblik zamašnjaka za pohranjivanje mehaničke energije koja se mogla brzo baciti u eksperimentalni aparat.
Rani primjer ove vrste uređaja kreirao je Sir Mark Oliphant u Istraživačkoj školiFizičke nauke i inženjerstvo sa Australijskog nacionalnog univerziteta. Pohranjivao je do 500 megadžula energije i koristio se kao izvor ultra-visoke struje za sinhrotronske eksperimente od 1962. do rastavljanja 1986. godine. Oliphantov dizajn je bio sposoban da isporuči struje do 2 megaampera (MA).
Razvijeno od strane Parker Kinetic Designs
Još veće uređaje poput ovog dizajnira i proizvodi Parker Kinetic Designs (ranije OIME Research & Development) iz Austina. Proizvodili su uređaje za razne namjene, od pogona željezničkih pištolja do linearnih motora (za svemirska lansiranja) i raznih dizajna oružja. Uvedeno je 10 industrijskih dizajna MJ za različite uloge uključujući električno zavarivanje.
Ovi uređaji su se sastojali od provodnog zamašnjaka, od kojih se jedan rotirao u magnetnom polju s jednim električnim kontaktom blizu ose, a drugim blizu periferije. Korišćeni su za generisanje veoma visokih struja pri niskim naponima u oblastima kao što su zavarivanje, elektroliza i istraživanje šinskih topova. U primjenama impulsne energije, ugaoni moment rotora se koristi za skladištenje energije na duži period, a zatim je otpuštanje u kratkom vremenu.
Za razliku od drugih tipova komutiranih unipolarnih generatora, izlazni napon nikada ne mijenja polaritet. Razdvajanje naboja je rezultat djelovanja Lorentzove sile na slobodne naboje u disku. Kretanje je azimutalno, a polje aksijalno, dakleelektromotorna sila je radijalna.
Električni kontakti se obično ostvaruju preko "četke" ili kliznog prstena, što rezultira visokim gubicima pri niskim generiranim naponima. Neki od ovih gubitaka se mogu smanjiti upotrebom žive ili nekog drugog lako ukapljenog metala ili legure (galijum, NaK) kao "četke" da bi se obezbedio skoro kontinuiran električni kontakt.
Modifikacija
Nedavno predložena modifikacija je upotreba plazma kontakta opremljenog neonskom trakom negativnog otpora koja dodiruje ivicu diska ili bubnja koristeći specijalizovani ugljenik niske radne funkcije u vertikalnim prugama. Ovo bi imalo prednost u veoma malom otporu u trenutnom opsegu, moguće do hiljade ampera, bez kontakta sa tečnim metalom.
Ako magnetno polje stvara trajni magnet, generator radi bez obzira da li je magnet pričvršćen za stator ili se rotira sa diskom. Prije otkrića elektrona i Lorentzovog zakona sile, ovaj fenomen je bio neobjašnjiv i bio je poznat kao Faradejev paradoks.
Tip bubnja
Homopolarni generator bubnja ima magnetno polje (V) koje radijalno zrači iz centra bubnja i indukuje napon (V) cijelom svojom dužinom. Provodljivi bubanj koji se rotira odozgo u području magneta tipa "zvučnik" s jednim polom u sredini i drugim koji ga okružuje, može koristiti vodljive kuglične ležajeve na svom vrhu idonji dijelovi za hvatanje generirane struje.
U prirodi
Unipolarni induktori se nalaze u astrofizici, gdje se provodnik rotira kroz magnetsko polje, na primjer, kada se visoko provodljiva plazma u jonosferi svemirskog tijela kreće kroz njegovo magnetsko polje.
Unipolarni induktori su povezani sa uranovskom aurorom, binarnim zvijezdama, crnim rupama, galaksijama, Jupiterovim mjesecom Io, Mjesecom, solarnim vjetrom, sunčevim pjegama i magnetnim repom Venere.
Karakteristike mehanizma
Kao i svi gore pomenuti svemirski objekti, Faradejev disk pretvara kinetičku energiju u električnu energiju. Ova mašina se može analizirati korišćenjem Faradejevog sopstvenog zakona elektromagnetne indukcije.
Ovaj zakon u svom modernom obliku kaže da konstantna derivacija magnetnog fluksa kroz zatvoreni krug indukuje elektromotornu silu u njemu, koja zauzvrat pobuđuje električnu struju.
Površinski integral koji definiše magnetni fluks može se prepisati kao linearni oko kola. Iako integrand linijskog integrala ne ovisi o vremenu, budući da se Faradejev disk koji je dio granice linijskog integrala pomiče, derivacija ukupnog vremena nije nula i daje ispravnu vrijednost za izračunavanje elektromotorne sile. Alternativno, disk se može svesti na provodljivi prsten oko svog obima sa jednim metalnim krakom koji povezuje prsten sa osovinom.
Lorentzov upaljačkoristiti za objašnjenje ponašanja mašine. Ovaj zakon, formuliran trideset godina nakon Faradejeve smrti, kaže da je sila na elektron proporcionalna unakrsnom proizvodu njegove brzine i vektora magnetskog fluksa.
U geometrijskom smislu, to znači da je sila usmjerena pod pravim uglom i na brzinu (azimut) i na magnetni tok (aksijalni), koji je stoga u radijalnom smjeru. Radijalno kretanje elektrona u disku uzrokuje razdvajanje naboja između njegovog centra i ruba, a ako se sklop završi, stvara se električna struja.
Električni motor
Unipolarni motor je jednosmerni uređaj sa dva magnetna pola, čiji provodnici uvek prelaze jednosmerne linije magnetnog toka, rotirajući provodnik oko fiksne ose tako da je pod pravim uglom u odnosu na statičko magnetno polje. Rezultirajuća EMF (elektromotorna sila), koja je kontinuirana u jednom smjeru, za homopolarni motor ne zahtijeva komutator, ali još uvijek zahtijeva klizne prstenove. Naziv "homopolarni" označava da se električni polaritet provodnika i polovi magnetnog polja ne mijenjaju (tj. da ne zahtijeva prebacivanje).
Unipolarni motor je bio prvi električni motor koji je napravljen. Njegovo djelovanje demonstrirao je Michael Faraday 1821. u Kraljevskoj instituciji u Londonu.
Izum
1821. godine, ubrzo nakon što je danski fizičar i hemičar Hans Christian Oersted otkriofenomen elektromagnetizma, Humphry Davy i britanski naučnik William Hyde Wollaston pokušali su, ali nisu uspjeli, razviti električni motor. Faraday, koga je Humphrey osporio kao šalu, nastavio je sa stvaranjem dva uređaja za stvaranje onoga što je nazvao "elektromagnetnom rotacijom". Jedan od njih, sada poznat kao homopolarni pogon, stvorio je kontinuirano kružno kretanje. Prouzrokovana je kružnom magnetskom silom oko žice postavljene u bazenu žive u koji je magnet bio postavljen. Žica bi se okretala oko magneta da je napajana hemijskom baterijom.
Ovi eksperimenti i izumi formirali su osnovu modernih elektromagnetnih tehnologija. Ubrzo je Faraday objavio rezultate. Ovo je zateglo odnose sa Davyjem zbog njegove ljubomore na Faradayeva dostignuća i nateralo ga da se okrene drugim stvarima, što ga je kao rezultat sprečilo da učestvuje u elektromagnetskim istraživanjima nekoliko godina.
B. G. Lamm je 1912. godine opisao homopolarnu mašinu snage 2000 kW, 260 V, 7700 A i 1200 o/min sa 16 kliznih prstenova koji su radili pri perifernoj brzini od 67 m/s. Unipolarni generator od 1125kW, 7,5V, 150,000A, 514rpm izgrađen 1934. godine instaliran je u američkoj čeličani za zavarivanje cijevi.
Isti Lorentzov zakon
Rad ovog motora je sličan radu unipolarnog generatora šoka. Unipolarni motor pokreće Lorentzova sila. Provodnik kroz koji teče struja, kada se stavi u magnetsko polje i okomit na njega, osjeća silu usmjer okomit i na magnetsko polje i na struju. Ova sila obezbeđuje moment okretanja oko ose rotacije.
Pošto je potonje paralelno sa magnetnim poljem, a suprotna magnetna polja ne mijenjaju polaritet, nije potrebno prebacivanje da bi se nastavio okretati provodnik. Ova jednostavnost se najlakše postiže dizajnom sa jednim okretom, čineći homopolarne motore neprikladnim za većinu praktičnih primjena.
Poput većine elektromehaničkih mašina (poput Neggerathovog unipolarnog generatora), homopolarni motor je reverzibilan: ako se provodnik okrene mehanički, on će raditi kao homopolarni generator, stvarajući istosmjerni napon između dva terminala provodnika.
Konstantna struja je posljedica homopolarne prirode dizajna. Homopolarni generatori (HPG) su opsežno istraženi krajem 20. stoljeća kao izvori niskog napona, ali vrlo visoke jednosmjerne struje, i postigli su određeni uspjeh u pokretanju eksperimentalnih šinskih topova.
Zgrada
Izrada unipolarnog generatora vlastitim rukama je prilično jednostavna. Unipolarni motor je također vrlo jednostavan za sastavljanje. Permanentni magnet se koristi za stvaranje vanjskog magnetskog polja u kojem će se provodnik rotirati, a baterija uzrokuje da struja teče duž provodljive žice.
Nije neophodno da se magnet pomera ili čak dođe u kontakt sa ostatkom motora; njegova jedina svrha je da stvori magnetsko polje koje ćeinterakciju sa sličnim poljem induciranim strujom u žici. Moguće je pričvrstiti magnet na bateriju i omogućiti provodniku da se slobodno rotira kako se električni krug završi, dodirujući i gornji dio baterije i magnet pričvršćen za dno baterije. Žica i baterija se mogu zagrijati tokom kontinuirane upotrebe.
